Come Determinare la Forza dei Magneti

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I magneti sono presenti nei motori, nelle dinamo, nei frigoriferi, nelle carte di credito, di debito e negli strumenti elettronici come i pickup delle chitarre elettriche, gli altoparlanti dello stereo e i dischi rigidi dei computer. Possono essere delle calamite permanenti realizzate con leghe metalliche o ferro magnetizzate in maniera naturale oppure degli elettromagneti. Questi ultimi sono realizzati grazie al campo magnetico sviluppato dall'elettricità che attraversa una bobina di rame avvolta attorno a un nucleo di ferro. Esistono diversi fattori che svolgono un ruolo nell'intensità dei campi magnetici e modalità differenti per calcolarla; entrambi sono descritti in questo articolo.

Metodo 1

Metodo 1 di 3:

Determinare i Fattori che Influiscono sull'Intensità del Campo Magnetico

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Valuta le caratteristiche del magnete. Le sue proprietà si descrivono utilizzando questi criteri:
- Coercitività (Hc): rappresenta il punto in cui un magnete può essere smagnetizzato da un altro campo magnetico; maggiore è il valore e più difficile è annullare la magnetizzazione.
- Flusso magnetico residuo, abbreviato con Br: è il massimo flusso magnetico che la calamita può produrre.
- Densità di energia (Bmax): è correlata al flusso magnetico; maggiore è il numero e più potente è il magnete.
- Coefficiente di temperatura del flusso magnetico residuo (Tcoef di Br): si esprime come una percentuale di gradi Celsius e descrive come il flusso magnetico diminuisce man mano che la temperatura della calamita aumenta. Un Tcoef di Br pari a 0,1 significa che se la temperatura della calamita aumenta di 100 °C, il flusso magnetico diminuisce del 10%.
- Temperatura massima di esercizio (Tmax): la temperatura massima a cui un magnete funziona senza perdere l'intensità del campo. Quando la temperatura scende sotto il valore di Tmax, la calamita recupera tutta la propria intensità di campo; se viene invece scaldata oltre Tmax, perde irreversibilmente parte dell'intensità di campo magnetico anche dopo la fase di raffreddamento. Tuttavia, se il magnete viene portato al punto di Curie (Tcurie), si smagnetizza.^{[1]
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Presta attenzione al materiale della calamita. I magneti permanenti sono in genere costituiti da:
- Lega di neodimio, ferro e boro: possiede il valore più elevato di flusso magnetico (12.800 gauss), di coercitività (12.300 oersted) e di densità di energia (40); ha inoltre la temperatura massima di esercizio e il punto di Curie più bassi (rispettivamente 150 e 310 °C), un coefficiente di temperatura pari a -0,12.
- Lega di samario e cobalto: i magneti costituiti con questo materiale possiedono la seconda coercitività più forte (9.200 oersted), ma hanno un flusso magnetico di 10.500 gauss e una densità di energia pari a 26. La loro temperatura massima di esercizio è molto più elevata rispetto a quella dei magneti al neodimio (300 °C) e il punto di Curie è stabilito a 750 °C con un coefficiente di temperatura pari a 0,04.
- Alnico: è una lega ferromagnetica di alluminio, nichel e cobalto. Possiede un flusso magnetico di 12.500 gauss - un valore molto simile a quello dei magneti al neodimio - ma una coercitività più bassa (640 oersted) e, di conseguenza, una densità di energia pari a 5,5. La sua temperatura massima di esercizio è maggiore rispetto alla lega di samario e cobalto (540 °C), così come il punto di Curie (860 °C). Il coefficiente di temperatura è 0,02.
- Ferrite: possiede un flusso magnetico e una densità di energia molto più bassi rispetto agli altri materiali (rispettivamente 3.900 gauss e 3,5); la coercitività è però maggiore rispetto all'alnico ed è pari a 3.200 oersted. La temperatura massima di esercizio è la stessa di quella dei magneti al samario e cobalto, ma il punto di Curie è decisamente inferiore e si attesta sui 460 °C. Il coefficiente di temperatura è -0,2; di conseguenza, questi magneti perdono l'intensità di campo più rapidamente rispetto agli altri materiali.
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Conta il numero di spire della bobina elettromagnetica. Maggiore è il rapporto fra questo valore e la lunghezza del nucleo, maggiore è l'intensità del campo magnetico. Gli elettromagneti commerciali sono costituiti da nuclei di lunghezza variabile e realizzati con uno dei materiali descritti finora, attorno ai quali vengono avvolte delle grande bobine; tuttavia, è possibile realizzare un semplice elettromagnete avvolgendo del filo di rame attorno a un chiodo e fissandone le estremità a una batteria da 1,5 volt.^{[2]
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Fonte attendibile
Science Buddies
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Controlla la quantità di corrente che attraversa la bobina. Per questa operazione hai bisogno di un multimetro; più intensa è la corrente e più forte è il campo magnetico generato.
- Ampere su metro è un'altra unità di misura correlata all'intensità di campo magnetico e descrive come questa cresce all'aumentare dell'intensità di corrente, del numero di spire o di entrambe.
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Metodo 2

Metodo 2 di 3:

Testare l'Intervallo di Intensità del Campo Magnetico con le Graffette

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Prepara un supporto per la calamita. Puoi realizzarne uno semplice usando una molletta per il bucato e un bicchiere di carta o polistirolo. Questo metodo è adatto per insegnare il concetto di campo magnetico ai bambini delle scuole elementari.
- Fissa una delle estremità lunghe della molletta alla base del bicchiere usando il nastro adesivo.
- Appoggia il bicchiere capovolto sul tavolo.
- Inserisci la calamita nella molletta.
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Piega la graffetta per modellarla come un gancio. Il modo più semplice per farlo è allargare la parte esterna della graffetta; tieni presente che dovrai appendere diverse graffette a questo uncino.
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Aggiungi altre graffette per misurare la forza del magnete. Metti in contatto la graffetta piegata con uno dei poli della calamita in modo che la porzione uncinata resti libera; attacca altre graffette al gancio finché il loro peso non lo fa staccare dalla calamita.
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Prendi nota del numero di graffette che riescono a far cadere il gancio. Una volta che la zavorra riesce a rompere il legame magnetico fra la calamita e il gancio, riportane scrupolosamente la quantità.
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Aggiungi del nastro adesivo di carta a un polo magnetico. Disponi tre piccole strisce e attacca nuovamente il gancio.
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Collega tante graffette finché non spezzi nuovamente il legame. Ripeti l'esperimento precedente finché non ottieni il medesimo risultato.
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Annota la quantità di graffette che questa volta hai dovuto usare per far cedere il gancio. Non trascurare il dato relativo al numero di strisce di nastro adesivo di carta.
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Ripeti la procedura diverse volte aggiungendo gradualmente altre strisce di carta adesiva. Annota sempre il numero di graffette e di pezzi di nastro; dovresti accorgerti che aumentando la quantità di quest'ultimo, diminuisce quella delle graffette necessarie per far cadere il gancio.

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Metodo 3

Metodo 3 di 3:

Testare l'Intensità del Campo Magnetico con un Gaussmetro

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Calcola la tensione originale o di riferimento. Puoi farlo con un gaussmetro, noto anche come magnetometro o rilevatore di campo magnetico, che è un dispositivo che misura l'intensità e la direzione del campo magnetico. È uno strumento ampiamente disponibile, semplice da usare e si rivela utile per insegnare le basi dell'elettromagnetismo ai ragazzi delle scuole medie e superiori. Ecco come utilizzarlo:
- Imposta il valore massimo misurabile di tensione a 10 volt con corrente continua.
- Leggi il dato riportato sul display tenendo lo strumento lontano dal magnete; tale valore corrisponde a quello originale, o di riferimento, e si indica con V₀.
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Metti in contatto un sensore dello strumento con uno dei poli della calamita. Su alcuni modelli questo sensore, detto di Hall, è costruito in un circuito integrato, puoi quindi metterlo effettivamente in contatto con il polo magnetico.^{[3]
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Annota il nuovo valore della tensione. Questo dato viene indicato come V₁ e può essere minore o maggiore di V₀, in base a quale polo magnetico viene testato. Se la tensione aumenta, il sensore sta toccando il polo sud della calamita; se diminuisce, stai testando il polo nord del magnete.
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Trova la differenza fra la tensione originale e quella successiva. Se il sensore è calibrato in millivolt, dividi il numero per 1000 per convertirlo in volt.
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Dividi il risultato per la sensibilità dello strumento. Ad esempio, se il sensore ha una sensibilità di 5 millivolt per gauss, dovresti dividere il numero che hai ottenuto per 5; se la sensibilità è pari a 10 millivolt per gauss, procedi a una divisione per 10. Il valore finale è l'intensità del campo magnetico espresso in gauss.
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Ripeti il test a varie distanze dalla calamita. Disponi il sensore a distanze predefinite dal polo magnetico e annota i risultati.

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Consigli

La forza del campo magnetico è inversamente proporzionale al quadrato della distanza dal polo magnetico. Se la distanza raddoppia, la forza diminuisce di quattro volte; partendo invece dal centro del magnete, la forza del campo diminuisce con il cubo della distanza. Per esempio, se la distanza raddoppia, la forza cala di otto volte.

Avvertenze

Puoi smagnetizzare una calamita colpendola o lasciandola cadere mentre ha i poli orientati in maniera opposta rispetto a quelli magnetici della terra (polo nord del magnete rivolto verso sud) o in direzione perpendicolare. Un ago d'acciaio, invece, può essere magnetizzato quando viene colpito mentre è allineato con i poli magnetici terrestri.