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lunedì 15 luglio 2013

L'inesorabile caduta di un magnete in un tubo d'alluminio

Recuperiamo, con colpevole ritardo, l'ultimo contributo ispirato alla supplenza serale e alle travolgenti idee di Bruno Martemucci. In questo caso l'idea è molto semplice e stupefacente quando la si fa osservare agli studenti: un magnete che scende lungo un tubo metallico non scende alla stessa velocità di un magnete identico che gettiamo dalla stessa altezza ad esempio all'interno di un tubo non metallico. Il magnete all'interno del tubo scenderà quasi come se restasse in sospensione, leggermente oscillando un po' a destra un po' a sinistra, in maniera inspiegabile, ma basta permettere ai ragazzi, superato lo stupore iniziale, di ragionarci sopra che, anche senza troppe conoscenze, riescono a capire che in qualche modo, anche senza toccarsi, il comportamento del magnete all'interno del tubo è dovuto a una interazione tra i due oggetti che va al di là del semplice contatto diretto:
Il segreto dietro il comportamento del magnetino è la così detta legge di Lenz:
Una forza elettromotrice indotta (fem) da sempre luogo a una corrente il cui campo magnetico si oppone alla variazione di flusso magnetico originale.
Nel caso del magnete in caduta, la fem indotta è quella che inizia a scorrere nel tubo metallico e questa genera un campo magnetico che si oppone al campo magnetico del magnete in caduta, facendolo quindi rallentare, visto che la sua opposizione va in verso contrario a quello della gravità.
E' possibile, ad ogni modo, verificare l'effetto sia quantitativamente, sia qualitativamente: l'esperimento, infatti, è abbastanza vecchio e noto da essere esaminato più o meno da ogni angolazione ed è abbastanza semplice da portare a termine. Ad esempio il liceo Galileo di Bitonto ha realizzato una relazione completa (pdf) con foto e grafici per la verifica della velocità di caduta e del suo eventuale legame con la massa. Un altro lavoro ben fatto è anche quello del Leonardo Da Vinci di Genova, in collaborazione con il Dipartimento di Fisica della locale università all'interno del Progetto Lauree Scientifiche (pdf).
Ho poi scovato un paio di esperimenti che i propositori suggeriscono fattibili anche in una scuola superiore: se la parte sperimentale e quella introduttiva possono essere utili in qualunque ultima classe di scuole superiori, nonostante gli integrali facciano parte del programma dell'ultimo anno, non si arriva mai nel programma di fisica a trattare i campi elettrico e magnetico in termini integrali: spesso è già tanto riuscire a trattarli come un campo unificato con le equazioni di Maxwell (ad esempio io ho dovuto attendere l'università...). In questo senso trovo molto più utile l'articolo proposto da un gruppo di fisici venezuelani che rappresentano la caduta del magnete in termini differenziali(2):
In questo modo l'esperimento diventa un ottimo esempio per toccare con mano le potenzialità dei differenziali e del calcolo differenziale per comprendere appieno un fenomeno fisico che, ad ogni modo, ha ancora tanto da poterci raccontare(1).
L'altro articolo di cui accennavo poc'anzi, invece, è di un gruppo canadese che spiega come le correnti generate dal magnete in caduta all'interno del tubo sono dette correnti parassite, anche dette correnti di Foucalt in onore del fisico francese Jean Bernard Léon Foucault che le scoprì nel 1851. Questo genere di correnti, ad ogni modo, non sono generate solo da un campo magnetico in movimento, ma anche da un campo magnetico variabile o dalla corrente alternata. Tra le numerose applicazioni si annoverano le cucine a induzione, i freni dei treni e nella levitazione dei superconduttori.

Per approfondire:
Eddy currents
If Copper is Not Magnetic, How Can it Affect a Falling Magnet? Lenz's Law

Video
Magnet in a copper pipe | Eddy currents | Eddy current tubes | Copper pipe magnet
Altri post con Bruno Martemucci:
Esperimento sulla dilatazione termica
Caricare un condensatore
Misura del calore specifico di un metallo
(1) A questo proposito ho anche scovato un articolo, relativamente recente (2012) di ricerca legato alla caduta di un magnete in un tubo metallico: Magnet traveling through a conducting pipe: a variation on the analytical approach
(2) Donoso G., Ladera C.L. & Martín P. (2011). Damped fall of magnets inside a conducting pipe, American Journal of Physics, 79 (2) 193. DOI: (pdf: archive.org | 4shared)
(3) MacLatchy C.S., Backman P. & Bogan L. (1993). A quantitative magnetic braking experiment, American Journal of Physics, 61 (12) 1096-1101. DOI: (pdf)

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