Hai bisogno di sistemare alcuni rottami metallici? Elettromagneti in soccorso! Qui, un elettromagnete viene utilizzato per prelevare alcuni dei circa 3, 500 armi sequestrate da fondere. David McNew/Getty Images Cosa fa un cantiere di demolizione, un concerto rock e la tua porta di casa hanno in comune? Ognuno di loro usa elettromagneti , dispositivi che creano un campo magnetico attraverso l'applicazione di elettricità. I cantieri di demolizione impiegano elettromagneti estremamente potenti per spostare pesanti pezzi di rottami metallici o addirittura intere auto da un luogo all'altro. La tua band preferita utilizza elettromagneti per amplificare il suono che esce dai suoi altoparlanti. E quando qualcuno suona il campanello, un minuscolo elettromagnete spinge un batacchio di metallo contro un campanello.
Meccanicamente, un elettromagnete è piuttosto semplice. Consiste in un tratto di filo conduttore, generalmente rame, avvolto intorno a un pezzo di metallo. Come il mostro di Frankenstein, questo sembra poco più di una raccolta sciolta di parti finché l'elettricità non entra in scena. Ma non devi aspettare una tempesta per dare vita a un elettromagnete. Viene introdotta una corrente, da una batteria o da un'altra fonte di elettricità, e scorre attraverso il filo. Questo crea un campo magnetico attorno al filo arrotolato, magnetizzando il metallo come se fosse un magnete permanente. Gli elettromagneti sono utili perché puoi accendere e spegnere il magnete completando o interrompendo il circuito, rispettivamente.
Prima di andare troppo oltre, dovremmo discutere in che modo gli elettromagneti differiscono dai normali magneti "permanenti", come quelli che tengono la tua arte del ghiacciolo sul frigorifero. Come sapete, i magneti hanno due poli, "Nord e Sud, " e attirare cose fatte d'acciaio, ferro o una loro combinazione. Come i poli si respingono e gli opposti si attraggono (ah, l'intersezione tra romanticismo e fisica). Per esempio, se hai due magneti a barra con le estremità contrassegnate "nord" e "sud, " l'estremità nord di un magnete attirerà l'estremità sud dell'altro. D'altra parte, l'estremità nord di un magnete respingerà l'estremità nord dell'altro (e allo stesso modo, il sud respingerà il sud). Un elettromagnete è allo stesso modo, tranne che è "temporaneo":il campo magnetico esiste solo quando scorre la corrente elettrica.
Il campanello è un buon esempio di come gli elettromagneti possono essere utilizzati in applicazioni in cui i magneti permanenti non avrebbero alcun senso. Quando un ospite preme il pulsante sulla porta di casa, il circuito elettronico all'interno del campanello chiude un circuito elettrico, il che significa che il circuito è completato e "acceso". Il circuito chiuso consente il flusso di elettricità, creando un campo magnetico e facendo magnetizzare il batacchio. L'hardware della maggior parte dei campanelli tradizionali è costituito da un campanello e un batacchio in metallo che, quando l'attrazione magnetica li fa sbattere insieme, senti il rintocco dentro. La campana suona, l'ospite rilascia il pulsante, il circuito si apre e il campanello smette di suonare infernale. Questo magnetismo su richiesta è ciò che rende l'elettromagnete così utile.
In questo articolo, daremo un'occhiata più da vicino agli elettromagneti e scopriremo come questi dispositivi prendano una scienza piuttosto interessante e la applichino agli aggeggi intorno a noi che ci semplificano la vita.
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Il grande elettromagnete a ferro di cavallo utilizzato dal fisico e chimico inglese Michael Faraday, intorno al 1830. Stringer/Hulton Archive/Getty Images La relazione tra elettricità e magnetismo non fu studiata a fondo fino al 1873 quando il fisico James Maxwell osservato l'interazione tra cariche elettriche positive e negative [fonte:Mahon]. Attraverso la continua sperimentazione, Maxwell ha determinato che queste cariche si attraggono o si respingono a vicenda in base al loro orientamento. Fu anche il primo a scoprire che i magneti hanno poli, o singoli punti in cui si concentra la carica. E, importante per l'elettromagnetismo, Maxwell osservò che quando una corrente passa attraverso un filo, genera un campo magnetico attorno al filo.
Il lavoro di Maxwell era responsabile di molti dei principi scientifici in atto, ma non fu il primo scienziato a sperimentare con l'elettricità e il magnetismo. Quasi 50 anni prima, Hans Christian Oersted scoprì che una bussola che stava usando reagiva quando una batteria nel suo laboratorio veniva accesa e spenta [fonte:Gregory]. Questo accadrebbe solo se ci fosse un campo magnetico presente ad interferire con l'ago della bussola, così ha dedotto che un campo magnetico è stato generato dall'elettricità che scorre dalla batteria. Ma Oersted gravitò verso il campo della chimica e lasciò la ricerca dell'elettricità e del magnetismo ad altri [fonte:Mahon].
Il nonno dell'elettromagnetismo è Michael Faraday , un chimico e fisico che ha architettato molte delle teorie in seguito costruite da Maxwell. Uno dei motivi per cui Faraday è molto più importante nella storia di Maxwell o Oersted è probabilmente dovuto al suo essere un ricercatore e inventore così prolifico. Egli è ampiamente annunciato come un pioniere dell'elettromagnetismo, ma è anche accreditato per aver scoperto l'induzione elettromagnetica, di cui parleremo più avanti quando esploreremo alcune applicazioni del mondo reale. Faraday inventò anche il motore elettrico, e oltre al suo influente lavoro in fisica, fu anche la prima persona ad essere nominata la prestigiosa posizione di Fullerian Professor of Chemistry presso la Royal Institution of Great Britain. Non troppo malandato.
Quindi cosa ha scoperto il lavoro di questi uomini? Nella sezione successiva, vedremo come funzionano gli elettromagneti.
Questo diagramma mostra un semplice elettromagnete. Come funzionano le cose Come abbiamo accennato nell'introduzione, gli elettromagneti di base non sono poi così complicati; puoi costruirne uno semplice usando materiali che probabilmente hai in giro per casa. Un filo conduttore, rame solitamente isolato, è avvolto intorno a un'asta di metallo. Il filo si surriscalda al tatto, ecco perché l'isolamento è importante. La bacchetta su cui è avvolto il filo si chiama a solenoide , e il campo magnetico risultante si irradia da questo punto. La forza del magnete è direttamente correlata al numero di volte in cui il filo si avvolge attorno all'asta. Per un campo magnetico più forte, il filo dovrebbe essere avvolto più strettamente.
OK, c'è un po' più di quello. Più stretto è il filo avvolto intorno all'asta, o nucleo, più giri la corrente fa intorno ad essa, aumentando l'intensità del campo magnetico. Oltre a quanto strettamente è avvolto il filo, il materiale utilizzato per il nucleo può anche controllare la forza del magnete. Per esempio, il ferro è un ferromagnetico metallo, il che significa che è altamente permeabile [fonte:Boston University]. permeabilità è un altro modo per descrivere quanto bene il materiale può supportare un campo magnetico. Più un certo materiale è conduttivo rispetto a un campo magnetico, maggiore è la sua permeabilità.
tutto importa, compreso il tondino di ferro di un elettromagnete, è composto da atomi. Prima che il solenoide sia elettrificato, gli atomi nel nucleo metallico sono disposti casualmente, non puntare in una direzione particolare. Quando viene introdotta la corrente, il campo magnetico penetra nell'asta e riallinea gli atomi. Con questi atomi in movimento, e tutti nella stessa direzione, il campo magnetico cresce. L'allineamento degli atomi, piccole regioni di atomi magnetizzati chiamati domini , aumenta e diminuisce con il livello della corrente, quindi controllando il flusso di elettricità, puoi controllare la forza del magnete. Arriva un punto di saturazione quando tutti i domini sono allineati, il che significa che l'aggiunta di corrente aggiuntiva non comporterà un aumento del magnetismo.
Controllando la corrente, puoi essenzialmente accendere e spegnere il magnete. Quando la corrente è spenta, gli atomi tornano al loro naturale, stato casuale e l'asta perde il suo magnetismo (tecnicamente, conserva alcune proprietà magnetiche ma non molto e non per molto tempo).
Con un magnete permanente comune, come quelli che tengono la foto del cane di famiglia sul frigorifero, gli atomi sono sempre allineati e la forza del magnete è costante. Sapevi che puoi togliere il potere di adesione di un magnete permanente facendolo cadere? L'impatto può effettivamente far cadere gli atomi fuori allineamento. Possono essere nuovamente magnetizzati strofinandoci sopra un magnete.
L'elettricità per alimentare un elettromagnete deve provenire da qualche parte, Giusto? Nella sezione successiva, esploreremo alcuni dei modi in cui questi magneti ottengono il loro succo.
Ecco come appaiono i campi magnetici in un elettromagnete di base. Hemera/Thinkstock Poiché è necessaria una corrente elettrica per azionare un elettromagnete, Da dove proviene? La risposta rapida è che tutto ciò che produce una corrente può alimentare un elettromagnete. Dalle piccole batterie AA utilizzate nel telecomando della TV alle grandi, centrali elettriche industriali che prelevano elettricità direttamente da una rete, se immagazzina e trasferisce elettroni, quindi può alimentare un elettromagnete.
Cominciamo con uno sguardo a come funzionano le batterie domestiche. La maggior parte delle batterie ha due poli facilmente identificabili, un positivo e un negativo. Quando la batteria non è in uso, gli elettroni si raccolgono al polo negativo. Quando le batterie vengono inserite in un dispositivo, i due poli entrano in contatto con i sensori nel dispositivo, chiudendo il circuito e permettendo agli elettroni di fluire liberamente tra i poli. Nel caso del tuo telecomando, il dispositivo è progettato con a carico , o punto di uscita, per l'energia immagazzinata nella batteria [fonte:Grossman]. Il carico mette l'energia da utilizzare azionando il telecomando. Se dovessi semplicemente collegare un filo direttamente a ciascuna estremità di una batteria senza carico, l'energia si scaricherà rapidamente dalla batteria.
Mentre questo accade, gli elettroni in movimento creano anche un campo magnetico. Se togli le batterie dal telecomando, probabilmente manterrà una piccola carica magnetica. Non potresti prendere un'auto con il telecomando, ma forse qualche piccola limatura di ferro o anche una graffetta.
Dall'altra parte dello spettro c'è la Terra stessa. Per la definizione che abbiamo discusso in precedenza, un elettromagnete viene creato quando le correnti elettriche scorrono attorno a un nucleo ferromagnetico. Il nucleo della Terra è di ferro, e sappiamo che ha un polo nord e un polo sud. Queste non sono solo designazioni geografiche, ma veri e propri poli magnetici opposti. L'effetto dinamo , un fenomeno che crea massicce correnti elettriche nel ferro grazie al movimento del ferro liquido attraverso il nucleo esterno, crea una corrente elettrica. Questa corrente genera una carica magnetica, e questo magnetismo naturale della Terra è ciò che fa funzionare una bussola. Una bussola punta sempre a nord perché l'ago di metallo è attratto dall'attrazione del Polo Nord.
Chiaramente, esiste una vasta gamma di applicazioni elettromagnetiche tra piccole, esperimenti scientifici fatti in casa e la Terra stessa. Così, dove compaiono questi dispositivi nel mondo reale? Nella sezione successiva, daremo un'occhiata a come le nostre vite quotidiane sono influenzate dall'elettromagnetismo.
L'elettromagnete del Large Hadron Collider (LHC) ha la forma di una gigantesca mascella. Consiste in due bobine da 27 tonnellate (24 tonnellate metriche), installato in un 1, 450 tonnellate (1, 315 tonnellate) culatta. Francis DEMANGE/Getty Images Molti elettromagneti hanno un vantaggio rispetto ai magneti permanenti perché possono essere facilmente accesi e spenti, e aumentare o diminuire la quantità di elettricità che scorre intorno al nucleo può controllarne la forza.
La tecnologia moderna si basa molto sugli elettromagneti per memorizzare le informazioni utilizzando dispositivi di registrazione magnetici. Quando si salvano i dati su un disco rigido del computer tradizionale, Per esempio, minuscolo, pezzi di metallo magnetizzati sono incorporati su un disco in uno schema specifico per le informazioni salvate. Questi dati sono nati come linguaggio binario digitale per computer (0s e 1s). Quando recuperi queste informazioni, il modello viene convertito nel modello binario originale e tradotto in una forma utilizzabile. Quindi cosa rende questo un elettromagnete? La corrente che attraversa i circuiti del computer magnetizza quei minuscoli frammenti di metallo. Questo è lo stesso principio usato nei registratori a nastro, videoregistratori e altri supporti basati su nastro (e sì, alcuni di voi possiedono ancora registratori e videoregistratori). Questo è il motivo per cui a volte i magneti possono devastare i ricordi di questi dispositivi.
Puoi usare l'elettromagnetismo ogni giorno se ricarichi un telefono o un tablet in modalità wireless. Il pad di ricarica crea un campo magnetico. Il tuo telefono ha un'antenna che si sincronizza con il caricabatterie, permettendo a una corrente di fluire. Come puoi immaginare, le bobine elettromagnetiche all'interno di dispositivi come questi sono piccole, ma bobine più grandi possono caricare dispositivi più grandi come le auto elettriche.
Gli elettromagneti hanno anche spianato la strada per sfruttare davvero il potenziale dell'elettricità in primo luogo. Negli elettrodomestici, il motore si muove perché la corrente che scorre dalla presa a muro produce un campo magnetico. Non è l'elettricità stessa che alimenta il motore, ma la carica creata dal magnete. La forza del magnete crea un movimento rotatorio, il che significa che ruotano attorno a un punto fisso, simile al modo in cui un pneumatico ruota attorno a un asse.
Così, perché non saltare questo processo e utilizzare solo la presa per alimentare il motore in primo luogo? Perché la corrente necessaria per alimentare un elettrodomestico è piuttosto elevata. Hai mai notato come l'accensione di un grande elettrodomestico come un televisore o una lavatrice a volte possa far tremolare le luci di casa? Questo perché l'elettrodomestico assorbe molta energia inizialmente, ma quella grande quantità è necessaria solo per avviare il motore. Una volta che ciò accade, questo ciclo di induzione elettromagnetica prende il sopravvento.
Dagli elettrodomestici, stiamo passando ad alcuni dei macchinari più complessi mai costruiti per vedere come gli elettromagneti vengono utilizzati per sbloccare le origini dell'universo. Gli acceleratori di particelle sono macchine che spingono le particelle cariche l'una verso l'altra a velocità incredibilmente elevate per osservare cosa succede quando si scontrano. Questi fasci di particelle subatomiche sono molto precisi e il controllo della loro traiettoria è fondamentale in modo che non vadano fuori rotta e danneggino il macchinario. È qui che entrano in gioco gli elettromagneti. I magneti sono posizionati lungo il percorso dei raggi in collisione, e il loro magnetismo viene effettivamente utilizzato per controllare la loro velocità e traiettoria [fonte:NOVA Teachers].
Non un brutto curriculum per il nostro amico l'elettromagnete, eh? Da qualcosa che puoi creare nel tuo garage all'utilizzo degli strumenti che scienziati e ingegneri stanno usando per decifrare le origini dell'universo, gli elettromagneti hanno un ruolo piuttosto importante nel mondo che ci circonda.
Pronto a provare alcuni esperimenti elettromagnetici per conto tuo? Continua a leggere per alcune idee divertenti.
Gli elettromagneti sono facili da realizzare; solo pochi pezzi di hardware e un alimentatore ti mettono sulla buona strada. Primo, avrai bisogno dei seguenti elementi:
Una volta che hai questi elementi, rimuovere l'isolamento da ciascuna estremità del filo di rame, quanto basta per fornire un buon collegamento con la batteria. Avvolgi il filo attorno all'unghia; più stretto puoi avvolgerlo, più potente sarà il campo magnetico. Finalmente, collegare la batteria collegando un'estremità del cavo al terminale positivo e una al terminale negativo (non importa quale estremità del cavo viene accoppiata con quale terminale). Presto! Un elettromagnete funzionante [fonte:Jefferson Lab].
Non ne hai mai abbastanza di esperimenti elettromagnetici pratici? Abbiamo altre idee da farti provare:
Pubblicato originariamente:1 aprile 2000
