ESPERIENZE DI FISICA: DALL'AMBRA AL COMPUTER  

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Con questa nuova fotografia lasciamo la termodinamica e ci addentriamo nei meandri dell'elettrologia. Essa deriva il suo nome dal greco elektron, "ambra", poiché Talete da Mileto (624-546 a.C.), uno dei Sette Savi dell'Antica Grecia, osservò che un frammento si ambra, se strofinato, attira a sé dei frammenti di carta o delle piume. Qui l'esperienza è ripetuta usando, al posto dell'ambra, una bacchetta di bachelite, che ha pressappoco le stesse proprietà elettriche. Più tardi si scoprì che esistono due tipi di elettrizzazione: quella vetrosa o positiva e quella resinosa o negativa, e i due tipi di carica elettrica tendono ad attrarsi.
Qui l'esperimento di Talete è ripetuto usando non dei frammenti di carta ma una piastra di plastica sospesa. Oggi sappiamo che, strofinando la bachelite, il panno perde elettroni e si carica positivamente, mentre la bacchetta ne acquista e si carica negativamente; successivamente questa induce cariche negative sulla piastra di plastica, e siccome le cariche opposte si attraggono, la piastra ruota verso la bacchetta.
In questo scatto di Emanuele Ferrara (III B cl. a.s. 2005/06) si vede un dispositivo semplicissimo, il pendolino elettrostatico al quale sono sospese palline di polistirolo, per verificare il fenomeno dell'attrazione e della repulsione coulombiana. Strofinando con un panno di lana le bacchette di vetro o di plastica nera, visibili ai piedi del pendolino, si osserva facilmente l'attrazione delle palline di polistirolo da parte delle bacchette. Ma c'è di più. Questo pendolino presenta infatti due palline di polistirolo sospese; dopo che esse sono state caricate elettricamente dello stesso segno, si può visualizzare la repulsione coulombiana, perchè le palline si respingono e si allontanano l'una dall'altra! Ecco un filmato digitale che illustra quest'esperienza.
In questa foto, ripresa nella Scuola Media "Carlo Carminati" di Lonate Pozzolo, il comune natale dell'autore di questo sito, si vede una ragazzina giocare con un curioso dispositivo: elettrizzando opportunamente la punta del bastone azzurro, è possibile letteralmente far volare una striscia di carta d'alluminio, che viene da essa respinta, secondo il principio per cui due cariche dello stesso segno si respingono. Certamente un curioso divertissement, ma anche l'occasione per insegnare ai ragazzi i principi base sui quali si fonda l'Elettromagnetismo.
La curiosa fotografia a sinistra illustra il parafulmine montato sul tetto della Villa Porro, centro di conferenze del comune di Lonate Pozzolo (VA). Questo ingegnoso strumento fu inventato nel 1752 da Benjamin Franklin (1706-1790), uomo politico e scienziato statunitense, e consente di scaricare al suolo la tremenda energia del fulmine, attirata dalla sua punta; il parafulmine è infatti collegato ad un cavo metallico che termina nel suolo sotto le fondamenta dell'edificio. Per questa invenzione, sotto la statua di Franklin a Philadelphia, sua città natale, sta inciso l'esametro latino « Eripuit fulmen coelo, sceptrumque tyrannis », e cioè: « Strappò al cielo il fulmine, lo scettro ai tiranni »!
Questa foto illustra un elettroscopio a foglie d'oro, comunissimo strumento da laboratorio che serve per verificare se un corpo è carico o meno. Dentro il tappo di gomma di una bottiglietta di vetro è infilata un'asta di metallo alla cui sommità c'è una pallina, e che termina con due foglioline di metallo (in questo caso sono di semplice stagnola). Toccando la sferetta con una bacchetta caricata per strofinio, si osserva che le due foglioline divergono. Questo perchè esse si caricano dello stesso segno e quindi si respingono. Prima si carica l'elettroscopio di segno positivo (con una bacchetta di vetro), poi lo si tocca con un corpo la cui carica non è nota. Se le foglioline divergono ulteriormente, la carica è positiva; se si richiudono, è negativa.
Ed ecco un altro tipo di elettroscopio, molto rudimentale rispetto al modello sopra presentato, eppure perfettamente funzionante, costruito dagli studenti del mio Liceo nell'ambito della Settimana della Scienza 2014. Come si vede, esso consiste in un semplice vasetto di vetro di marmellata con tappo ermetico, che è stato forato per far passare un cavetto. Fuori del barattolo, a un'estremità del cavetto, c'è una pallina di stagnola, mentre dall'altra parte due "foglie d'oro" in realtà costituite da normale alluminio da cucino. Semplicissimo, eppure estremamente intuitivo!
Ecco altri due elettroscopi a foglie d'oro. Ma la strana forma degli elettrodi si spiega tenendo conto che i due strumenti possono essere utilizzati per provare l'elettrizzazione per contatto: si carica il primo elettroscopio in modo che le foglioline divergano e, quando lo si pone a contatto con il secondo elettroscopio, divergono anche le foglioline di quest'ultimo, perchè le cariche elettriche si propagano anche sul secondo elettrodo!
Con gli stessi strumenti si prova anche l'induzione elettrostatica. Si pongono i lati piatti a contatto, si carica la sbarra di metallo che così si ottiene toccandola con una bacchetta di vetro carica, e poi li si allontana. Entrambi gli elettroscopi risultano carichi, anche se l'uno positivamente e l'altro negativamente, perchè il fenomeno dell'induzione ha separato le cariche.
L'elettrometro di Kolbe qui raffigurato si differenzia dall'elettroscopio (con il quale talora viene confuso) per il tipo di misura che con esso si può effettuare, consistente nella determinazione quantitativa della quantità di carica depositata sui corpi. In questo caso, infatti, le foglie d'oro sono sostituite con una lancetta che si muove lungo un quadrante, sotto l'azione della repulsione elettrostatica. Toccando l'elettrodo (in alto a sinistra) con una bacchetta strofinata, la lancetta si solleva, e a seconda delle taccature indicate sulla scala è possibile eseguire una valutazione qualitativa della quantità di carica depositata su di essa. Si noti che la cassa è trasparente, e dunque il movimento della lancetta può essere proiettato su una parete.
Il prossimo strumento elettrostatico della carrellata è l'elettroforo di Volta, che prende il nome dalla nostra gloria nazionale Alessandro Volta (1745 - 1827), uno dei pionieri dell'elettrologia. Questo semplicissimo strumento, da lui stesso inventato, consente di produrre varie quantità di carica tutte approssimativamente uguali tra di loro, da usarsi in altri esperimenti. Il tutto consiste in una base di vetro, che viene strofinata per caricarla positivamente (in alto a sinistra), oppure la si carica toccandola con l'elettrodo di una bottiglia di Leyda (in alto a destra). Su di essa si poggia poi il piatto metallico dell'elettroforo. In base al principio dell'induzione, cui si è accennato poco sopra, le cariche dentro il conduttore si separano; quelle negative vanno verso il basso, attirate da quelle positive presenti sul vetro, mentre le altre sono respinte e migrano verso la faccia superiore...
...se si solleva l'elettroforo a questo punto, le cariche si riuniscono e addio elettrizzazione. Allora si tocca con un dito la faccia superiore in modo che le cariche negative vengano rimosse da essa e scaricate a terra attraverso il corpo umano (in basso a sinistra). In tal modo, allorché si solleva l'elettroforo dalla base di vetro, su di esso restano le sole cariche negative, ed in quantità sempre pressoché costante ogni volta che si ripete l'elettrizzazione (in basso a destra). In quest'altra foto si vede una sfera di rame su base isolante (di legno) caricata mediante l'elettroforo messo in contatto con essa: toccandolo sei volte avrò la garanzia che su di esso ci sarà una carica all'incirca pari a sei volte quella che c'è sull'elettroforo, e potrò eseguire esperienze quantitative di elettrostatica!
Quella qui visibile non è la gabbietta del mio canarino, bensì una gabbia di Faraday, uno dei più noti strumenti didattici per imparare le basi dell'elettrologia. Si tratta di una semplice gabbia metallica, poggiata su un basamento i cui piedi sono assolutamente isolanti, ed usata per verificare che le cariche elettriche si distribuiscono solo sulla superficie dei conduttori. Ciò avviene perchè le cariche dello stesso segno si respingono, e quindi tendono a distribuirsi il più lontano possibile, cioè evidentemente sulla superficie del conduttore. In corrispondenza di angoli e punte la densità di carica è più elevata.
Come si vede, per verificarne le proprietà basta chiudere un elettroscopio all'interno della gabbia e collegarlo con la superficie interna della gabbia mediante un cavetto, quindi si collega la gabbia per mezzo di un altro cavo ad uno dei due elettrodi di una macchina elettrostatica. Mettendo in moto la macchina, la gabbia si elettrizza ma l'elettroscopio non subisce alcuna deflessione; e ciò prova che non è presente alcuna carica elettrica sulla superficie interna della stessa. In questo caso l'esperienza è stata condotta con la solita bacchetta di vetro, mostrando come le foglioline dell'elettroscopio non divergano affatto!
Beccaria fu il primo a dimostrare che in un corpo carico la carica elettrica si dispone solo sulla sua superficie su di un sottile strato. Questo fatto può essere sperimentalmente confermato mediante questo pozzo di Beccaria, il quale altro non è se non una sfera cava mantenuta su di un piedistallo isolante, munita di un'apertura circolare superiore. Una volta caricata la sfera, si immerge in essa una pallottolina di sambuco appesa ad un filo di seta, se ne tocca il fondo e quindi la si estrae, trovando che la pallottolina è completamente scarica, perchè la carica della sfera si trova tutta sull'esterno di essa. Se si cala dentro la sfera una pallottolina già carica e se ne tocca il fondo, essa si scarica e la carica va ad occupare la superficie esterna della sfera!
Il pozzo di Faraday è un dispositivo utilizzato per verificare il fenomeno dell''induzione elettrica. Introducendo una carica elettrica all''interno del conduttore cavo senza che ne tocchi le pareti, sulla parete interna si osserva una carica indotta di segno opposto e, sulla parete esterna, una carica di uguale intensità ma dello stesso segno della carica esterna. Per realizzare questa esperienza si elettrizza una sferetta metallica con un manico isolante, e la si introduce all'interno del recipiente; un filo conduttore collega la parete esterna del conduttore con un elettroscopio. Subito le foglioline dell'elettroscopio divergono, dimostrando che su di esse si è depositata una carica elettrica.
Quella qui fotografata dal sottoscritto dietro il pozzo di Faraday dell'immagine precedente, è una rete di metallo pieghevole, munita sulle due facce di numerose strisce di carta stagnola. La rete è sostenuta da due piedi isolanti molto pesanti, in modo da conserva la forma che le si dà, sia essa piana, concava o ad S. Con una catenella si unisce la rete ad una macchina elettrostatica, e si osserva che, nel caso di rete piana, le strisce di carta stagnola si sollevano sulle due facce. Nel caso di superficie convessa, si sollevano solo quelle della faccia esterna, ed anzi, con opportuna rotazione dei sostegni sul loro asse, durante l'esperienza si può rovesciare la rete e allora si vedranno alzarsi le strisce che prima erano basse e viceversa! Nel caso di forma ad S, sulla stessa faccia metà delle strisce si alzeranno e metà no. Questo è ilmodo più semplice e sicuro per dimostrare che la carica elettrica si distribuisce solo sulla superficie esterna dei conduttori.
Questa foto illustra un ripiano del nostro Armadio Virtuale, il quale contiene un set di apparecchi elettrostatici tra cui elettrofori di Volta (a sinistra), elettrometri (a destra), bacchette per caricarli (in basso) e, tra l'altro, un esemplare (a sinistra) di elettroscopio condensatore, dello stesso modello di quello utilizzato da Volta per dedurre le sue celebri tre leggi alla base della costruzione dell'omonima pila, del quale parleremo più sotto.
In questo Armadio Virtuale non poteva certo mancare una bottiglia di Leyda. Storicamente si tratta del primo condensatore mai realizzato, formato da un bicchiere di vetro a forma cilindrica con un rivestimento interno ed esterno metallo, ed un'astina conduttrice metallica con un pomello all'estremità superiore. L'apparecchio prende il nome dall'omonima città dei Paesi Bassi nella cui università venne ideata nel XVII secolo. Se ne può costruire un modellino con materiale povero, ricoprendo un semplice vasetto di vetro di carta stagnola all'interno e all'esterno.
Dopo aver caricato la bottiglia di Leyda tramite una macchina elettrostatica come quelle illustrate qui sotto, basta avvicinarla ad un elettroscopio a foglie d'oro per vederle subito divergere moltissimo, segno che il condensatore ha accumulato molta carica (se si tocca la sferetta si avverte una forte scossa!) Di questo fenomeno potete anche vedere un brevissimo filmato.
Ecco un'ampia collezione di bottiglie di Leyda di vari formati, tutte perfettamente funzionanti. In più, in primo piano si vede anche una coppia di bottiglie sintoniche di Lodge, bottiglie di Leyda sintonizzate tra loro grazie al circuito rettangolare che le collega, in grado di produrre scariche elettriche nello stesso istante (da cui il nome, sinonimo di "sincronizzate").
Quella che qui vedete fotografata è un'ingegnosa macchina elettrostatica realizzata da uno studente del mio liceo con una scatola di legno. In essa passa un manico che, una volta ruotato, tramite il panno ad esso legato carica una rudimentale bottiglia di Leyda realizzata con il bicchierino da caffè all'interno. Toccando sia il bicchierino che la maniglia metallica posta sulla destra si avverte chiaramente una leggera scossa elettrica. Complimenti all'autore!
La macchina di Wimhurst qui rappresentata serve per generare scariche elettriche e per accumulare cariche dentro opportuni condensatori. Consiste di due dischi isolati ricoperti di strisce d'alluminio, che vengono posti in movimento da una manovella uno in senso contrario all'altro. Su entrambi i lati sono sistemate due aste metalliche che terminano con due spazzole (in basso a destra), aiutate da alcune punte metalliche (in alto a destra) a raccogliere tutta l'elettricità statica dovuta allo sfregamento. Le cariche così raccolte vengono accumulate dentro le due bottiglie di Leyda chiaramente visibili in basso a sinistra.
Ecco un altro esemplare di macchina di Wimhurst, di dimensioni maggiori rispetto alla precedente e molto più datata. In entrambe si vede che alle bottiglie di Leyda sono collegate due aste di metallo che terminano con due sfere. Avvicinandole tra loro dopo aver posto i dischi in rotazione, tra di esse si producono forti scariche elettriche. Cliccando qui potrete scaricare un brevissimo filmato digitale che illustra queste scariche spettacolari.
Ed ora, un paio di esperienze da realizzarsi con la nostra macchina di Wimhurst. In questo caso è stata accoppiata ad una bottiglia di Leyda e ad un elettroscopio a foglie d'oro. Una delle due sfere di metallo della macchina è stata posta vicinissima all'asta di una bottiglia, in modo da caricarla con le stesse cariche che davano vita ai piccoli "fulmini" di cui si è detto sopra. Mentre la studentessa ritratta nella foto mette in rotazione la macchina, si osserva facilmente che le foglioline dell'elettroscopio, caricato con la bottiglia, divergono vistosamente.
L'esperienza precedente, qualitativa, illustra sia la produzione di cariche elettriche con la macchina di Wimhurst, sia il funzionamento del condensatore. L'esperienza può essere resa quantitativa sostituendo all'elettroscopio un elettrometro di Kolbe di cui si è parlato poco sopra. Si noti che la lancetta dell'elettrometro si alza notevolmente, fin oltre il fondoscala, e rimane sollevata anche quando la gentile studentessa ha smesso di girare la manovella, poiché le bottiglie di Leyda associate alla macchina di Wimhurst trattengono la carica finché non sono scaricate mettendole a terra. Questo è anche il motivo per cui non bisogna avvicinarsi troppo alle sferette: il nostro corpo è conduttore, e prenderemmo una forte scossa.
Presso il Museo Galileo di Firenze, dove è stato fotografato dalla mia allieva Sara Scampini (5 G a.s. 2011/12), è conservata questa Macchina di Nairne, un dispositivo elettrostatico a strofinio con un cilindro di vetro posto in rotazione da una grande puleggia. Con essa è possibile generare scintille da 150.000 Volt. Fu costruita nel 1773 espressamente per il Granduca Pietro Leopoldo di Lorena da Edward Nairne (1726-1806).
Ecco (a sinistra) un esemplare di macchina di Van der Graaf, che serve per generare una tensione dell'ordine di diverse migliaia di Volt. Un nastro di gomma, azionato da un piccolo motore elettrico, scorre verso l'interno della sfera conduttrice posta nella parte superiore; il nastro si carica per strofinio e le cariche, trasportate all'interno della sfera, sono raccolte su di essa per induzione. A destra si vedono invece gli elettroscopi già visti all'opera in una delle precedenti fotografie.
In questa foto, scattata da Emanuele Ferrara (III B cl. a.s. 2005/06), la precedente macchina di Van der Graaf è ripresa in azione durante un esperimento in classe (si intravede anche il sottoscritto). Ponendo una sfera di rame accanto alla macchina, a pochi millimetri di distanza, e ponendola in azione, si vedranno partire delle scariche intense tra l'una e l'altra. Non si tratta di altro se non della simulazione della formazione di fulmini nell'atmosfera!
Un'esperienza eccezionale può essere eseguita facendo uso della macchina di Van der Graaf e dell'arganetto elettrico. Si tratta, come si vede, di un sistema rotante isolato da terra grazie al manico in plexiglas e dotato di tre punte rivolte nella medesima direzione. Quando si collega l'arganetto alla macchina di Van der Graaf mediante un comune cavetto e si aziona la macchina, si osserva che l'arganetto si pone in rotazione in direzione opposta a quella delle punte. Un tempo si credeva infatti che dalle punte sfuggissero le cariche, originando un "vento elettrico"; oggi sappiamo invece che le punte caricate attirano gli ioni dell'aria di segno opposto e respingono quelle dello stesso segno. Sono queste ultime, allontanandosi con una notevole quantità di moto, a porre in rotazione l'arganetto per via del principio di azione e reazione!
Ed ecco l'apparato sperimentale con cui è possibile verificare direttamente il potere dispersivo delle punte. Alla macchina di Van der Graaf (in alto) è collegata una punta metallica isolata tramite un tappo di sughero. Agendo sulla manovella della macchina, si osserva come la pallina del pendolino viene "soffiata via" dal "vento elettrico" (ecco anche un filmato dedicato a questa esperienza). In realtà, come detto, sono gli ioni dell'aria di segno opposto ad essere respinti dalla punta carica, e ad agire sulla pallina. Gli ioni di ugual segno sono attirati dalla punta, la scaricano e danno l'idea che sia essa a "perdere le cariche"!
Questo rudimentale ma efficace campanello di Franklin è costituito da due lattine di alluminio tra cui è sospesa una linguetta delle stesse lattine, isolata mediante una biro. Collegando le lattine ai due poli di una macchina elettrostatica, la linguetta comincia ad oscillare da una lattina all'altra, colpendole e provocando un tintinnio. Il principio di funzionamento è quello dell'attrazione e della repulsione elettrostatica: la linguetta, inizialmente priva di carica, viene attirata da una delle due lattine, la tocca, acquista una carica dello stesso segno e viene respinta verso l'altra lattina che ha una carica opposta, perde la carica iniziale e ne acquista una di segno contrario, viene respinta verso l'altra lattina e così via. Spettacolare!
La foto, scattata da Roberto Carettoni (III B cl. a.s. 2005/06), raffigura un modello di condensatore di Epino a facce piane e parallele, ideato da Franz Maria Aepinus (1724-1802), cioè un dispositivo dotato di alta capacità elettrica. Come si vede, la distanza tra le armature è regolabile a mano. La capacità di un condensatore infatti è direttamente proporzionale alla superficie delle armature affacciate, inversamente proporzionale alla loro distanza, e dipende dal materiale interposto fra le armature.
Come verificare la legge appena enunciata? Mediante l'apparato sperimentale visibile qui in figura. Si carica il condensatore con la macchina di Van der Graaf, dopo aver allontanato le armature ad una distanza prefissata, quindi si misura la differenza di potenziale tra le armature con il voltmetro che si vede a destra, si ripete l'esperienza più volte variando la distanza e si verifica che la capacità è inversamente proporzionale alla distanza tra i piatti!
Un altro modello di condensatore a facce piane e parallele, sostanzialmente identico al precedente quanto al funzionamento, ma di dimensioni maggiori, e quindi in grado di generare anche capacità elettriche più alte, oltre che di più precisa misurazione. Si noti come sia possibile caricare entrambi i condensatori, quindi misurare il diametro delle armature affacciate e verificare che la capacità elettrica è direttamente proporzionale alla superficie delle armature affacciate. Si può anche interporre un dielettrico fra le armature (vetro, plexiglas, eccetera) e verificare anche la dipendenza della capacità da quest'ultimo!!
Ed ecco, fotografato da Emanuele Ferrara, un condensatore variabile. Come si vede, le armature dei condensatori collegati in parallelo (per sommare le loro capacità) sono l'una fissa e l'altra rotante intorno ad un asse, il che permette di variare facilmente la loro superficie affacciata, girando la manopola. Che ci si creda o no, proprio questo strumento è alla base della sintonia delle radio (quella che si vede è proprio la manopola usata per sintonizzare la radio!), strumento per la quale vi rimando più sotto.
Lo strumento in figura è chiamato elettrometro di Wulf, ed è costituito da un sottile filo di di platino, fissato verticalmente e mantenuto teso da una vite. Il filo si trova tra i piatti di un condensatore, posti a distanza regolabile mediante due viti micrometriche presenti sui due lati opposti dello strumento, le quali consentono così di variare la sensibilità e la stabilità del filo. A seconda della differenza di potenziale applicata tra filo e custodia, il filo stesso devia a destra o a sinistra rispetto alla posizione di equilibrio e il suo spostamento è osservabile attraverso un microscopio fissato sullo strumento e munito di scala. Tale attrezzo è pertanto adatto a condurre misure sensibilissime di d.d.p. in valore e segno.
Ed ecco l'apparato sperimentale messo a punto dalla mia collega Paola Bertoncello per realizzare l'esperienza della scarica del condensatore. Come si vede, esso è posto in serie ad un amperometro e ad una resistenza da 200 Ohm; si attiva l'alimentatore, si prendono le letture di amperometro e voltmetro ogni 10 secondi, quindi si costruisce il grafico relativo;: si procede poi a disattivare l'alimentatore e a prendere le misure per costruire anche la curva di scarica del condensatore.
La foto in questione rappresenta un ripiano del nostro Scaffale Virtuale, che contiene dei reostati d'epoca (più sotto ne vedremo un esemplare più moderno) e, sullo sfondo, un ponte di Wheatstone: un dispositivo inventato da Samuel Hunter Christie (1784-1865) e perfezionato da Charles Wheatstone (1802-1875), che permette di determinare una resistenza incognita quando se ne hanno tre note ed una intensità di corrente conosciuta. Un vero tuffo nel passato!
Ed ecco un altro esemplare di ponte di Wheatstone, di proprietà dell'Isis Andrea Ponti di Gallarate, che ospita una rinomata scuola professionale. Contiene un generatore di tensione che alimenta due rami resistivi in parallelo: il primo è composto da un resistore campione in serie a una resistenza variabile tramite opportune manopole; il secondo ramo è invece composto da un resistore campione in serie alla resistenza incognita. Si pone un galvanometro a zero centrale tra i due resistori del primo ramo e i due del secondo ramo. Alimentando il circuito,  il galvanometro segnala il passaggio di una corrente elettrica. Si varia quindi il valore della cassetta di resistenze fino a quando il galvanometro non indica più il passaggio di una corrente. In questa situazione il valore di resistenza elettrica del resistore incognito è calcolabile con una semplice formula.
Le sostanze si dividono in due gruppi: conduttori ed isolanti. I primi hanno elettroni liberi e quindi conducono la corrente elettrica, i secondi non ne hanno e quindi permettono di proteggersi contro il passaggio di corrente. In questa fotografia si vedono entrambi i tipi di sostanze: i cavi per l'alta tensione sono fatti di metallo conduttore, mentre le strutture che impediscono alla corrente di disperdersi lungo il traliccio sono fatti di porcellana o di resina isolante.
In questa foto, scattata da Marta Milano (III B cl. a.s. 2004/2005), è illustrato uno degli accessori fondamentali per eseguire qualsivoglia esperienza con le correnti elettriche: si tratta di una scatola con un set di accessori comprendenti cavi a doppia entrata (in basso a destra), basette (in alto a destra) in cui infilare i componenti, cioè resistenze, lampafine, interruttori, deviatori, ponticelli metallici, persino un relé (vedi più sotto), un trasformatore ed un reostato a cursore (in alto a sinistra), un ago magnetizzato, limatura di ferro ed altri fondamentali strumenti per realizzare gran parte delle esperienze che vedremo qui sotto!
Quello in figura è un semplice alimentatore da usare per le esperienze di elettrologia. Come si vede, esso ha tre uscite: corrente continua (rosso e nero), alternata regolabile (bianco), alternata fissa a 5 Volt (giallo). La regolazione avviene attraverso lo spinotto sulla destra, che permette di far variare la tensione da 1 fino a 12 Volt. Il cilindretto nero sopra lo switch di accensione rappresenta il fusibile che protegge l'alimentatore da eventuali sbalzi di tensione.
Un altro modello di alimentatore, ma assai più perfezionato e pericoloso, perchè eroga tensione fino a 3000 V. Esso va usato in laboratorio con estrema cautela, e può essere utilizzato solo per esperienze di scarica nei gas, le uniche che richiedono tensioni elevatissime per essere eseguite.
Non c'è il due senza il tre: ecco l'alimentatore generale di un laboratorio di Fisica "vero" (e quindi non appartenente, come questo, solo al mondo virtuale). In basso si vedono gli switch per dare corrente ai singoli banchi del laboratorio, in alto sono chiaramente visibili gli amperometri ed i voltmetri; tra di essi, la manopola è un reostato che permette di variare la corrente continua erogata dai banchi da un minimo (zero) ad un massimo, come indicano i voltmetri. Questo modello oggi è sorpassato dalle nuove normative sulla sicurezza, e giustamente figura in un... museo!
Nel Laboratorio Virtuale « Ettore Majorana » sono presenti molti alimentatori da usarsi per le più diverse esperienze. Cpme recita la didascalia, questi sono alimentatori in corrente continua regolabili e stabilizzati.
Ed ecco un vecchio alimentatore per rocchetti di Ruhmkorff (vedi). Siccome questi ultimi generano alte tensioni e forti scariche, è necessario che l'alimentatore sia opportunamente predisposto, se non si vuole rischiare che gli sbalzi di tensione lo brucino. E così il Laboratorio si è dotato di un alimentatore opportuno, molto più stabile di quello da 12 V visto poco sopra.
Chiudiamo la galleria degli alimentatori con questo alimentatore per fotocellule. Qui le fotocellule sono state rimosse, ma inizialmente si trovavano accanto all'alimentatore, cui venivano facilmente collegate tramite gli spinotti visibili nella foto.
La fotografia digitale di Roberto Carettoni (III B cl. a.s. 2005/06) ritrae uno dei semplici cavetti utilizzati per costruire i nostri circuiti. Le spine con cui essi terminano vengono chiamate in gergo "banane", e per la precisione si tratta di "banane" a doppia uscita: sul retro della spina è infatti ricavata una presa nella quale si può innestare la presa di un altro cavetto. Ciò è indispensabile per poter realizzare esperienze come quella delle leggi di Ohm.
Questo è un altro tipo di spinotto, appositamente costruito ed inserito in una presa a banana: è una presa a morsetto o, in gergo, un "coccodrillo". Esso è usato per agganciare particolari componenti che vanno alimentati ad alta tensione, come i tubi a gas o i tubi catodici; in ogni caso, per esperienze da bancone.
Lo strumento di misura tenuto in mano dall'alunna Chiara Minervini (III B cl. a.s. 2004/05) nel corso di un'esperienza con l'elettricità è un amperometro, che serve per misurare l'intensità di correnti elettriche fino ad un massimo di 5 Ampére. Lo strumento è utilizzabile sia in corrente alternata (AC) che in continua (DC), come rivela lo switch in basso, ed a seconda della boccola sull'estremità superiore con cui lo si connette al circuito, cambia il fondoscala.
Ecco invece un modello molto più recente (fine anni ottanta) di voltmetro. A differenza del precedente, esso è dotato di elettrodi (sono ripiegati a sinistra) e può misurare solo differenze di potenziale. La scala in bianco è quella in corrente continua (DC), quella in rosso in corrente alternata (AC). A seconda della posizione della manopola cambia il fondoscala, e quindi l'entità delle d.d.p. che esso è in grado di misurare.
Questo apparecchio, detto tester, è invece in grado di misurare sia correnti che differenze di potenziale, a seconda della posizione dello switch. Si tratta di un modello risalente ai lontani anni sessanta, eppure ancora perfettamente funzionante: io l'ho utilizzato più volte con i ragazzi, come testimonia la fotografia digitale da essi scattata.
Ed ecco un multimetro digitale e analogico, in grado di misurare in modo semplice correnti continue, correnti alternate, tensioni e resistenze, a seconda di come si dispone la manopola centrale. I valori cercati vengono visualizzati sul display, mentre l'indicatore analogico indica il valore di lettura corrispondente sulla scala, ovviamente avendo cura di utilizzarlo nel modo corretto.
Il reostato o potenziometro è costituito da un supporto che regge una resistenza costituita da un filo di nichel–cromo, strettamente avvolto sul supporto, il quale fa capo a due morsetti. Sulle spire così formate striscia una spazzola metallica, fissata ad un cursore scorrevole su una grossa asta metallica, che porta un terzo morsetto. Il reostato serve a variare il valore della corrente in modo continuo; utilizzando tutti e tre i morsetti si realizza il circuito potenziometrico mediante il quale si può variare la tensione fra lo zero ed il valore voluto. Il tutto è essenziale per costruire le caratteristiche tensione-corrente dei circuiti.
Un altro tipo di potenziometro è rappresentato dal reostato a cursore illustrato in questa fotografia di Roberto Carettoni (III B cl. 2005/2006). Il funzionamento è del tutto identico a quello precedente, solo che la resistenza è avvolta su di un anello circolare, e con un cursore si fa ruotare una lancetta che varia la lunghezza del cavo incluso nel circuito. Il principio di funzionamento è sempre la Seconda Legge di Ohm.
Un altro componente essenziale per eseguire esperienze con l'elettricità è il ponte a diodi o raddrizzatore. Si tratta di un circuito contenente quattro diodi a semiconduttori, il cui scopo è quello di trasformare la corrente alternata in corrente continua per poter eseguire esperienze come quella delle leggi di Ohm o della caratteristica del diodo.
Non poteva mancare una foto di una resistenza con la quale compiere importanti esperienze con la corrente elettrica (per es. la verifica delle leggi di Ohm); qui è ritratta sullo sfondo di un reostato e con gli elettrodi di un voltmetro innestati nella basetta di plastica in cui è inserita. Si tratta di un filo di costantana, lega la cui resistività è praticamente costante con la temperatura, del quale si forniscono sezione e diametro per poter verificare la II legge di Ohm.
Altri strumenti indispensabili per la fabbricazione di circuiti a scopo didattico sono illustrati in questa figura. Si tratta di tre basette a nove prese in cui possono essere innestati tutti i componenti circuitali, da collegarsi poi tramite opportuni cavetti. In questo caso, da sinistra a destra, sono innestati un deviatore, un interruttore a levetta di tipo comune ed un interruttore a tasto. Quest'ultimo, a differenza del precedente, tiene chiuso il circuito solo fintantoché è tenuto premuto.
La foto, scattata da Emanuele Ferrara III B cl. a.s. 2005/06, mostra una semplicissima esperienza che si può far eseguire anche in classe, dopo aver chiesto agli studenti di portare da casa delle normali pile a secco. Toccando con gli elettrodi del voltmetro i due poli della pila (il rosso equivale al polo + ed il nero al polo -), si può notare un movimento della lancetta, ed in tal modo si insegna ai ragazzi a leggere la d.d.p. misurata dallo strumento. In questo caso il fondoscala è regolato a 3 V in corrente continua (DC), dunque occorre usare la scala inferiore. La lettura dello strumento fornisce  13, dunque è sufficiente usare la proporzione 3 : x = 30 : 13 per ottenere x = 1,3 Volt. La pila (da 1.5 V) non è dunque completamente carica.
Questo semplice circuito è stato da me realizzato per mostrare efficacemente l'utilizzo di un reostato in un circuito. Il reostato è visibile al centro e, a differenza del precedente, è un vecchio modello che risale agli anni '60, tuttora perfettamente funzionante. Muovendo il cursore si sposta la lancetta dell'amperometro e cambia l'intensità di una lampadina, segno certo del fatto che, al variare della lunghezza del cavo, varia la resistenza (per la II legge di Ohm), e con esso la corrente.
Questo, fotografato dalle mie allieve della III B cl. a.s. 2004/05, è l'apparato sperimentale per verificare la I legge di Ohm nel caso di conduttore ohmico, cioè di una normale resistenza. Da destra a sinistra si vedono il trasformatore che alimenta il circuito, il ponte a diodi, il reostato, la resistenza, il voltmetro (in parallelo) e l'amperometro (in serie). Le misure permettono di verificare che la corrente nel circuito è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale agli estremi della resistenza.
Ed ecco lo schema circuitale disegnato a mano libera che illustra come montare il circuito precedente per verificare la I legge di Ohm. Si noti che con lo stesso circuito è possibile anche verificare la II legge di Ohm: una volta determinata sperimentalmente la resistenza, è facile confrontarlo con il valore teorico ricavabile tramite la lunghezza del conduttore, l'area della sua sezione e il materiale di cui è composto.
Un vero pezzo da museo del Laboratorio Virtuale « Ettore Majorana »: un assortimento di cavi di vari metalli per determinare la resistività dei diversi materiali, che compare nella II legge di Ohm. Questo pezzo stava per essere buttato nella spazzatura e solo l'intervento del sottoscritto lo ha salvato da una fine ingloriosa.
Con resistenze come queste, negli anni sessanta venivano eseguite le esperienze sulle leggi di Ohm, che (come mostrato dalle immagini precedenti), noi abbiamo eseguito con materiale assai più moderno e di facile utilizzo!
Questa invece rappresenta l'antenato del moderno reostato: si tratta infatti di una cassetta con resistenze a decadi. Agendo sugli appositi cursori si aggiungono via via resistenze maggiori, collegate in modo da poterle inserire o escludere, procedendo per multipli di dieci. Per escludere certe resistenze basta metterle in corto circuito.
Restiamo ancorati ad un passato ormai lontano con questi componenti circuitali d'epoca: si distinguono resistenze (di forma cilindrica), ponticelli, condensatori e relé. Ma come utilizzarli per costruire dei circuiti di effettiva valenza didattica?
A quei tempi non c'erano basette o simili, e così i componenti della fotografia precedente venivano innestati direttamente su di un supporto in cui i collegamenti erano già pronti (e nascosti sul retro del supporto stesso). Era così possibile costruire circuiti dimostrativi con resistenze in serie e in parallelo, circuiti oscillanti contenenti condensatori, e via discorrendo.
Questo circuito, fotografato il 19/11/2011 da Naomi Sparacia della 5 A a.s. 2011/12, serve per verificare che la resistenza equivalente a due resistenze in serie è pari alla loro somma. Basta infatti variare corrente e tensione, misurare la resistenza che ne risulta è verificare che essa è il doppio di quella misurata in precedenza!
Anche questa foto la devo alla cortesia della gentile Naomi Sparacia, e serve per verificare che l'inverso della resistenza equivalente a due resistenze in parallelo è pari alla somma dei loro inversi. Basta infatti variare corrente e tensione, misurare la resistenza che ne risulta è verificare che essa è la metà di quella misurata in precedenza!
Qui vedete come vanno montate le basette con le resistenze in serie (sopra) e in parallelo (sotto) per eseguire le esperienze descritte nelle foto soprastanti. Nel primo caso le due basette con le resistenze di costantana sono collegate tra loro mediante un ponticello di metallo, nel secondo caso invece tramite un ponticello e un cavetto nero.
Un circuito molto simile ai precedenti, fotografato dal sottoscritto il 21/12/2004, è stato realizzato con alcuni colleghi per costruire la caratteristica tensione-corrente di un conduttore non ohmico, in questo caso una lampadina. Al centro si vede il reostato con il quale si variano tensione e corrente.
Ed ecco un altro circuito molto suggestivo fotografato dall'allieva Marta Milano (III B cl. a.s. 2004/05), utile per verificare l' effetto Joule. Come si vede l'impianto è analogo a quello utilizzato per verificare la I legge di Ohm, ma al posto di una comune resistenza si utilizza quella immersa nel calorimetro bianco visibile in figura, in serie al quale è stato posto l'amperometro, mentre in parallelo c'è il voltmetro. Un termometro permette di misurare la resistenza e di verificare l'effetto Joule.
Lo scatto in questione illustra un interessante assortimento di lampadine ad incandescenza. Ideate da Thomas Alva Edison nel 1878, esse funzionano sulla base dell'effetto Joule, che qui non è sfruttato per produrre calore, bensì luce. Della galleria fanno parte anche alcune lampadine al neon e addirittura una grossa lampada da lampione (si confrontino le dimensioni relative...) Tanto per introdurre una nota divertente in questa severa sfilata di marchingegni, accanto alle lampadine è stata posta anche la loro antenata: la candela di cera...
Posso pubblicare la foto di questa lampadina da mille candele (fotografata accanto a una valvola termoionica, della quale parleremo più avanti) grazie alla cortesia dell'amico Pierluigi Guidi. La candela è l'unità di misura dell'intensità luminosa nel Sistema Internazionale ()del quale è una delle unità fondamentali), ed è definita come l'intensità luminosa misurata in direzione perpendicolare ad una superficie di 0,6 mm quadrati di un corpo nero alla temperatura di fusione del platino (1768° C).
Vogliamo esagerare: l'amico Pierluigi Guidi mi ha spedito anche la foto di questa colossale lampadina acquistata a un mercatino, dove gli è stato riferito che proviene da una stazione di Londra. La scritta "3200 K" sulla lampadina gigante rappresenta la cosiddetta temperatura di colore, cioè la temperatura a cui corrisponde il colore della luce emessa. Ad esempio la luce di una candela corrisponde circa a 1000 K, una lampadina domestica a incandescenza da 60 W a 2 760 K, e così via!
Nella foto scattata il 9/2/2005 dalla mia brillante allieva Francesca Piotti (IV C ginnasio a.s. 2004/2005) si vede il dispositivo sperimentale atto alla realizzazione di una porta logica NOT: quando apro l'interruttore la lampadina si accende e quando lo chiudo si spegne, perchè la resistenza dell'interruttore è minore di quella della lampadina e quindi il ramo circuitale con la lampadina viene escluso. E' un'esperienza estremamente istruttiva per spiegare il funzionamento dei calcolatori!
Questa foto si riferisce ancora all'esperienza che precede, ma stavolta si tratta di una GIF animata creata dal sottoscritto usando alcune foto scattate dai miei allievi della IV C ginnasio a.s. 2004/2005. Nella successione si vede: un circuito più compatto del precedente per realizzare la porta NOT; aprendo l'interruttore la lampadina si accende; chiudendo l'interruttore la lampadina si spegne. Suggestivo, vero?
Un'altra esperienza suggestiva per far comprendere ai pargoli il funzionamento dei calcolatori è quella che prevede l'uso di un relé, cioè di un servointerruttore magnetico. Esso può costituire una realizzazione alternativa della porta logica NOT: dopo opportuno montaggio dei collegamenti, se passa corrente nel primario il secondario si apre, e viceversa.
La foto qui accanto mostra un utile modello di byte presente nell'esposizione di Fisica della mia scuola. Essa consiste in otto lampadine comandate da altrettanti interruttori; la lampadina spenta significa 0, quella accesa 1. In tal modo è possibile visualizzare in forma binaria tutti i numeri decimali tra 0 e 255. Nell'immagine è rappresentato il numero binario 11011110, cioè il numero decimale 214, corrispondente nel codice ASCII al carattere « Í ».
Qui vedete ritratti alcuni cavi ordinari ad alta tensione, destinati a trasmettere ben 12500 Ampére, a confronto ad un singolo cavo superconduttore destinato a trasmettere la stessa corrente: la differenza è evidente. Tale foto è stata scattata al CERN di Ginevra, dove tali cavi venivano utilizzati per l'acceleratore LHC (vedi l'Armadio di Fisica Atomica). Senza il fenomeno della superconduttività, i cavi che portano energia all'LHC fonderebbero per effetto Joule, essendo il calore sviluppato da una qualsiasi resistenza direttamente proporzionale alla resistenza stessa e al quadrato della corrente elettrica.
Questo è il trolley di un tram di Milano, fotografato nel pomeriggio di domenica 20 agosto 2017 durante un giro turistico. Si tratta di un un dispositivo in metallo leggero munito di un conduttore elettrico, atto a trasferire potenza elettrica agli apparati interni di veicoli a trazione elettrica come tram e filobus. Il suo nome scientifico è "asta di captazione": Rappresenta un elemento tipico dei mezzi di trasporto urbano, ed a Milano è conosciuta come perteghetta (diminutivo di "pertega", pertica).
Ed ecco alcune tubazioni fotografate dall'autore di questo sito al CERN di Ginevra, in cui scorre gas liquido a bassissima temperatura, necessario per mantenere allo stato di superconduttori i cavi visibili nella fotografia soprastante. Quando sono raffreddati vicino allo zero assoluto, i metalli perdono praticamente tutta la loro resistenza, trasformandosi in superconduttori. Tale fenomeno fu scoperto nel 1911 dal fisico olandese Heike Kamerlingh Onnes (1853-1926).
In figura si può vedere un elettroscopio condensatore, inventato da Alessandro Volta (1745-1827) per eseguire le sue celebri esperienze che condussero all'invenzione della pila omonima. In pratica si tratta di un comune elettroscopio come quelli mostrati qui sopra, che però al posto della sferetta o del cilindro di metallo ha il piatto di un elettroforo (guarda caso, anch'esso inventato da Volta...) Nella prima esperienza, Volta toccava il piatto inferiore di rame dell'elettroscopio con un'asta bimetallica zinco-rame impugnandola dalla parte dello zinco, ottenendo una divaricazione delle foglie d'oro, e quindi una differenza di potenziale; nella seconda impugnava l'asta dalla parte del rame e non otteneva alcuna d.d.p.: le foglie non si muovevano.
Nella terza esperienza, invece, Volta impugnava l'asta bimetallica dalla parte del rame ma interponeva tra asta e piatto una spugnetta imbevuta di soluzione acida, scaricava il piatto superiore, sollevava l'elettroforo e trovava una d.d.p. più alta che nel primo esperimento. Qui a sinistra si vede una simulazione delle esperienze di Volta, eseguita grazie al contributo dell'alunno Roberto Carettoni (III B cl. a.s. 2005/06). Per scaricare una descrizione più dettagliata delle esperienze di Volta, cliccate qui.
esperienze/conduz_soluzioni.jpg La figura accanto illustra un ottimo esperimento, eseguito dal sottoscritto, per verificare la conducibilità o meno delle soluzioni. Si tratta di un circuito elettrico normalissimo, con amperometro e lampadina, di cui però fanno parte due lamine immerse una volta in acqua distillata, una volta in una soluzione di acqua e cloruro di sodio, ed una terza volta in una soluzione azzurrina di acqua e permanganato di potassio. Ogni volta si riscontrano conducibilità del tutto differenti!
Questa foto, scattata dalla mia allieva Marta Milano (III B cl. a.s. 2004/2005) nel nostro laboratorio di Fisica, mostra la realizzazione di una rudimentale pila elettrica fabbricata con due lamine, una di rame ed una di zinco, immerse in un becker contenente una soluzione acidula di... acqua e succo di limone! Allo scopo gli studenti hanno portato a scuola dei limoni ed hanno provveduto essi stessi a tagliarli e a spremerli nel becker. Poiché il potenziale erogato è estremamente basso (in figura si riesce a leggere 0,22 V, tenendo conto che il voltmetro è settato con un fondoscala di 1 V), e quindi incapace di accendere una semplice lampadina, la d.d.p. erogata dalla pila è stata visualizzata facendo uso di un voltmetro. E' un'esperienza di facile esecuzione, di sicuro successo (cambiano le lamine di vari metalli ed anche di carbone si ritrovano facilmente i valori di d.d.p. indicati dai libri di testo) e di grande impatto sugli studenti.
Ed ecco le lamine di vari materiali da usarsi per costruire un semplice modello di pila Daniell. Da sinistra a destra e dall'alto in basso si tratta di lamine di: zinco, piombo, alluminio, rame, ferro e carbone, più il supporto in cui infilarle.
La fotografia, ripresa con la collaborazione di Andrea Franzoni e Davide de Alberti (III B cl. a.s. 2005/2006), mostra il fato che la suddetta pila funziona anche se gli elettrodi sono inseriti direttamente nel limone. Infatti un libro che ho letto quando ero un ragazzo insegnava a realizzare una pila proprio infilzando un coltello zincato ed un chiodo di rame direttamente dentro un limone, ed ascoltando poi in una cuffia il brusio dovuto al passaggio di corrente!!
Questo scatto è stato ripreso dalla mia studentessa Ludovica de Lilla (4 G a.s. 2014/15) e mostra come, mettendo in serie quattro limoni, sia possibile addirittura accendere un LED! Un limone solo, come detto sopra, non basterebbe. Si noti come siano stati utilizzati come elettrodi dei semplici chiodi, piantati dentro i limoni. L'esperienza è stata ideata dalla studentessa Giorgia Aliverti, anch'essa della 4 G a.s. 2014/15. Ringrazio la professoressa Paola Bertoncello che mi ha permesso di includere questa foto nella sua galleria.
In figura, un altro pezzo da museo, che rappresenta una batteria di sei pile Daniell, rappresentate da altrettanti "bicchieri" di vetro dotati ciascuno di due elettrodi, uno di zinco ed una di rame, esattamente come nella figura soprastante. Il fatto che gli elettrodi siano ossidati dimostra che lo strumento è stato utilizzato, seppure in un passato ormai remoto.
Già che stiamo discutendo di pezzi d'epoca, ecco la foto di una batteria di camion dell'esercito tedesco datata 1943, ancora perfettamente funzionante. Si tratta di una batteria piombo-acido, progettata per fungere da accumulatore; l'involucro esterno che racchiude le celle collegate in serie contenenti l'elettrolita è in legno. Questa foto mi è stata inviata dal brillante studente di ingegneria Giuseppe Biundo, che ringrazio moltissimo.
L'apparecchio in figura, ripreso dal sottoscritto è chiamato voltametro di Hoffmann e serve per realizzare l'idrolisi, cioè la "rottura" di due molecole d'acqua in una molecola di ossigeno e due di idrogeno per mezzo del passaggio di corrente elettrica; i due gas sono raccolti nelle due burette. L'acqua infatti si autodissocia per mezzo della reazione 2 H2O --> H3O+ + OH-; al catodo avviene la reazione 2 H3O+ + 2 e- --> H2 + 2 H2O, ed all'anodo la reazione 4 OH- --> 4 e- + 2 H2O + O2. La somma delle due reazioni porta alla formazione di due molecole di idrogeno e di una di ossigeno ogni due molecole di acqua neutra. Quest'esperienza viene eseguita anche nell'Armadio Virtuale di Chimica.
Anche questa foto si deve a Giuseppe Biundo, e raffigura una cella elettrolitica che proviene dalla centrale EL.CHI.MA. (ElettroChimica delle Madonie) di Polizzi Generosa (PA). Essa era del tipo ad acqua fluente, quindi non provvista di vasca di carico o accumulo, e dato che la produzione si concentrava nelle ore serali, un ingegnere ebbe l’idea di non sprecare l'acqua usando un processo fortemente energivoro, quello dell’elettrolisi. E così si mise su un impianto per la produzione di ipoclorito di sodio con il metodo dell' elettrolisi del cloruro di sodio, materia prima abbondante e proveniente dalle miniere di Petralia Soprana (PA). Questa cella elettrolitica è costruita in gres e gli elettrodi sono in grafite, su cui si sviluppa cloro gassoso, ed in acciaio per l’ossigeno. La produzione veniva destinata alla zona orientale della Sicilia. Geniale, no?
E ora, un'eccezionale modellino che permette di mostrare agli studenti il funzionamento di una cella a combustibile. Esso è dotato di un motore elettrico, e per metterlo in funzione occorre inserire in esso la cella a combustibile reversibile dopo averla capovolta e riempita di acqua distillata (non acqua del rubinetto!) finché non raggiunge la sommità dei tubicini e non sia penetrata intorno alle membrane. Una volta accertato che non vi sono bolle d'aria si tappa il tutto e si producono idrogeno e ossigeno, necessari al funzionamento della cella, facendo passare in essa la corrente prodotta da un opportuno generatore a manovella, come si vede nella fotografia.
Il generatore a manovella permette di scomporre l'acqua per via elettrolitica in idrogeno ed ossigeno; nella foto qui accanto, l'ossigeno (O2) riempie il cilindro di stoccaggio di sinistra, mentre l'idrogeno (H2) riempie quello di destra. Da notare che i due gas spingono fuori l'acqua; gli studenti possono così osservare immediatamente come il volume dell'idrogeno prodotto sia esattamente il doppio di quello dell'ossigeno, per via della composizione chimica dell'acqua! A questo punto si collegano gli elettrodi agli spinotti del motorino; et voilà, il modellino incredibilmente si mette in moto! Ecco a voi un filmato digitale che dimostra in modo spettacolare il movimento della macchinina, che vedremo più avanti anche mossa da un motore ibrido.
La cella a combustibile può essere utilizzata anche scorporata dal modellino per eseguire misure di voltaggio e di amperaggio attraverso il box di rilevamento sotto carica. Esso comprende un amperometro (a sinistra) e un voltmetro (a destra) sui cui display eseguire letture dirette, ma anche un LED che si illumina più o meno a seconda della corrente erogata, e un motorino la cui velocità di rotazione dipende sempre dalla corrente. Davvero un ottimo kit per comprendere l'importanza delle celle a combustibile nella tecnologia moderna!
L'immagine a lato si deve a Davide de Alberti (III B cl. a.s. 2005/2006) e rappresenta il risultato di un'esperienza da lui condotta "in proprio" seguendo le mie istruzioni: la galvanostegia. Ha infatti immerso in una soluzione acida un elettrodo di rame e questo elettrodo di zinco, collegati ai due poli di una normale batteria zinco-carbone; dopo quattordici ore di funzionamento lo zinco, come si vede, risulta ricoperto da uno strato apprezzabile di rame. Questo grazie alla migrazione degli ioni Cu++ attraverso la soluzione acida fino al catodo di zinco; è il processo usato per la doratura degli oggetti.
Ed ecco l'apparato sperimentale da me messo in piedi per realizzare l'esperienza di galvanostegia del mio allievo Davide de Alberti, con l'elettrodo di rame collegato al polo positivo e l'oggetto da ricoprire (una barretta di acciaio) collegata a quello negativo. Il successo è assicurato.
Questo è un particolare dell'esperienza precedente, che mostra l'elettrodo di rame (a sinistra) immerso in una soluzione si solfato di rame idrato (CuSO4 + H2O). L'esperienza infatti non riesce se l'elettrodo non si trova in una soluzione di un suo sale. A destra invece c'è la barretta d'acciaio già in fase di ricopertura da parte del rame. Per l'esperienza è indispensabile usare acqua distillata, altrimenti sulla barretta si deposito anche le impurezze saline contenute nella soluzione!!
Lo stesso apparato sperimentale può venire utilizzato, in maniera semplice, per eseguire l'esperienza di idrolisi già descritta sopra, senza bisogno di utilizzare quell'apparecchiatura complessa e costosa. Come si vede, il catodo è ricoperto da uno strato di bollicine di idrogeno, prodotte dalla reazione 4 OH- --> 4 e- + 2 H2O + O2 sopra descritta. Raccogliendo queste bollicine in una provetta ed incendiandole, si noterebbe la tipica fiamma blu con la formazione di goccioline d'acqua.
In figura si può vedere un esemplare (assai datato, in verità) di Pila Grenet. È una pila i cui elettrodi sono composti l'uno di zinco e l'altro di carbone (da cui il nome di pila zinco-carbone): un modello che ha avuto fortuna, oggi, sul mercato. Purtroppo il carbone degli elettrodi di questo modello appare assai danneggiato e la pila non è più utilizzabile; ciononostante, è particolarmente istruttivo compararla con una pila Daniell, una pila Leclanché (vedi immagine seguente) ed una moderna pila a secco per illustrare agli studenti l'evoluzione dei generatori portatili a corrente continua..
esperienze/Leclanche.jpg Ed ecco una pila Leclanché. Si tratta essenzialmente di una pila ad un solo liquido costituita, nella sua forma originaria, da un recipiente di vetro in cui va versato l’elettrolito, e nel quale viene immersa una bacchetta di zinco (la quale funge elettrodo negativo); e da un vaso poroso nel cui interno è disposto l’elettrodo positivo di carbone, circondato di granuli di manganese e di carbone di storta. Essa presenta il vantaggio di potersi conservare a lungo a circuito aperto senza alterazioni; nelle sue evoluzioni.più moderne essa ha dato vita alle cosiddette "pile a secco".
Questa foto illustra un altro pezzo da museo davvero pregiato: un interruttore di Wenhelt. Esso consiste in un vaso di vetro riempito con una soluzione di acido solforico, in cui si immergono una piastra di piombo ed un filo di platino, protetto per tutta la sua lunghezza da un tubetto di vetro. Collegando la piastra al polo positivo di un generatore di  corrente continua di circa 100 Volt, e il platino al quello negativo, si osserva che si produce una violenta ebollizione intorno al filo di platino, quando questo si fa sporgere di circa un centimetro fuori del tubo di vetro: a tale fenomeno corrispondono delle rapidissime interruzioni del circuito. Su questo principio sono basati gli interruttori elettrolitici.
Quello in figura è il modello di neurone realizzato dall'amico Giovanni Danieli, la cui foto viene qui pubblicata dietro suo permesso. Lo scopo è quello di far capire come avviene la trasmissione nervosa: alla base dell’impulso nervoso c’è il potenziale d’azione, dato dalla differenza che c'è tra l’ambiente esterno al neurone e quello al suo interno (citoplasma) grazie alle proteine inserite nella membrana plasmatica. Quando arriva uno stimolo sul neurone si innesca il potenziale di azione, cioè il potenziale ai due lati della membrana si inverte. Un modo vicino alla realtà per illustrare tutto ciò è quello di realizzare dei cubetti di feltro, imbibirli di acqua, collegare a due facce opposte i due morsetti collegati al voltmetro e misurare la conduttività: con uno schizzo di aceto si rileva un calo del differenziale di tensione dato dalla variata conduttività del feltro. L'effetto è assicurato!
Questa foto di Marta Milano mostra l'esecuzione di un'altra esperienza di grande impatto emotivo sugli studenti: la conduzione attraverso i gas. I tubi dotati di elettrodi, simili quindi alle lampade al neon, vengono collegati ad un alimentatore opportuno (naturalmente gli studenti vanno tenuti a distanza di sicurezza) e si illuminano di vari colori. Per esempio l'argo esibisce questo curioso colore violaceo che sa tanto di insegna di Night Club!
Anche questa foto è di Marta Milano e rappresenta l'impianto elettrico necessario per realizzare l'esperienza con i tubi a gas. Come si vede, l'esperienza è un po' più pericolosa delle altre perché richiede un alimentatore a 3000 V, quindi ben diverso da quello a 12 V che abbiamo usato per le esperienze precedenti. I cinque tubi contengono idrogeno, ossigeno, azoto, elio ed argon; ad essere acceso è il tubo ad azoto.
I tubi a gas (o tubi di Plücker) usati nell'esperienza precedente possono anche essere montati uno per uno su di un apposito supporto, poi collegato all'alimentatore ad alto voltaggio (visibile sulla sinistra) mediante due cavetti. Dato il voltaggio non indifferente, è importante che i cavetti non si sovrappongano. Qui il gas contenuto è costituito da neon, ed infatti la luce prodotta è tipicamente di un rosso intensissimo.
Ed ecco un confronto tra alcuni dei diversi colori emessi dai tubi di Plücker, in un mosaico di fotografie realizzate dal mio brillante studente Niki Braho (4 D a.s. 2015/16) Quando si fa passare una scarica in un gas, gli elettroni ricevono un surplus di energia, e quindi saltano su un livello energetico più elevato. Ma non possono restarci a lungo: ben presto essi ritornano sul loro livello di partenza, perchè la Fisica ci insegna che un sistema "insegue" sempre il livello di minima energia. La differenza di energia tra i due livelli viene irraggiata dagli atomi sotto forma di onda elettromagnetica, e siccome ogni atomo ha livello energetici diversi, emette onde con frequenza diversa dagli altri, cioè con un diverso colore.
Un'esperienza non facile da eseguire, a causa dell'alta tensione necessaria, ma di grande impatto: il tubo per lo studio delle scariche in aria rarefatta. Se non ve la sentite di eseguirla, scaricate da qui un filmato digitale di 30 secondi di questo esperimento. Il tubo di vetro presenta due elettrodi a forma di cilindro ed una diramazione che, come si vede, serve per collegarlo ad una pompa a vuoto. Gli elettrodi vanno connessi all'alimentatore a 3000 V già usato per l'esperienza precedente, quindi si comincia ad estrarre l'aria mediante la pompa. Il risultato è davvero sorprendente...
Man mano che si fa il vuoto nel tubo, si osservano evidenti variazioni di luminosità all'interno di esso, come evidenzia questa foto. Quando la pressione dell'aria raggiunge i 10 mm di Hg, si vede una colonna violacea continua detta scarica a bagliore, come dimostra la metà soprastante dell'immagine, scattata in condizioni di scarsa luminosità. Abbassando ancor di più la pressione, la scarica si stratifica, come si vede nella metà sottostante, e si ritira dall'anodo, mentre si forma una luminosità in prossimità del catodo. Sotto il millesimo di mm di Hg, non si vede più nulla.
Parlando di conduzione nei gas, non si può fare a meno di nominare l'arco voltaico; ed ecco allora il dispositivo necessario per realizzarlo. Si tratta di un apparecchio costituito da due bracci mobili in metallo, collegati ad un trasformatore che assicura un voltaggio di 12 Volt (l'alimentatore potrebbe bruciarsi). In questa foto si vede l'apparato sperimentale completo...
...mentre in quest'altra si vede un particolare del dispositivo meccanico, con i due elettrodi di carbone già ravvicinati tra di loro per mezzo della manopola a destra. In pratica i due elettrodi vengono avvicinati e, quando scocca la scintilla, subito allontanati; occorre proteggere la vista con opportuni occhiali scuri perchè la vampata di luce (che qui sta per innescarsi) può danneggiare la vista. In pratica, è lo stesso principio del saldatore!
Un esperimento ancor più suggestivo, ma estremamente più pericoloso, potrebbe essere eseguito con la strumentazione qui fotografata da Emanuele Ferrara. Si tratta di un trasformatore (il principio verrà spiegato sotto), che in ingresso ha 250 spire alimentate a 220 V, e in uscita 12000 spire, che di conseguenza avvertono una tensione di oltre 10.000 V! Questa è sufficiente per generare scariche violentissime tra gli elettrodi, generando un arco voltaico estremamente luminoso e rumoroso. Questa strumentazione può essere mostrata agli studenti, ma l'esperienza è troppo pericolosa e non va più assolutamente eseguita!
Grazie all'amico Maurizio posso riprodurre qui queste sue foto che rappresentano esempi di plasma da lui stesso realizzato in un laboratorio casalingo. In alto a sinistra e in basso a destra si vede il gioco di luce realizzato con un piccolo filo appoggiato in cima a un trasformatore di Tesla, che gira per effetto del vento ionico formatosi alle sue estremità. In basso a sinistra si vedono scariche in una lampadina da 220V percorsa invece da una tensione di 4000V, mentre in alto a destra si vedono le scariche in una sfera alimentata dal trasformatore di Tesla da lui costruito!
Siamo passati al magnetismo. Per introdurre questa sezione del presente Armadio Virtuale ho ripetuto porre qui la foto, scattata dall'amico Lorenzo Mainini, di una costruzione realizzata da lui mediante il geomag, gioco di costruzioni fatto di stanghette fortemente magnetizzate e sfere di acciaio. Dalla combinazione delle stanghette calamitate con le sfere, nascono costruzioni di ogni tipo, da semplici solidi geometrici fino a complessi modelli architettonici. Si tratta semplicemente di una versione del puzzle o del Lego, in cui proprio la forza magnetica tiene insieme i diversi componenti!
Quello che qui vedete rappresentato è un facilissimo esperimento che è stato realizzato nella Scuola Media del mio paese. Presa una bacinella, è stata riempita d'acqua e vi sono stati posti a galleggiare dei comuni tappi di bottiglia nei quali erano stati posti dei magnetini. Come si vede, essi si respingono fra di loro e si dispongono il più lontano possibile gli uni dagli altri, ponendosi nei vertici di un poligono regolare: un quadrato con quattro tappi (a sinistra), un pentagono con cinque (al centro), un esagono con sei (a destra). Il successo è assicurato!
Dato che siamo in tema di giochi, eccone un altro molto divertente. Mettendo un foglio di certa sopra un magnete a sbarra e spargendovi della limatura di ferro (contenuta nel barattolo sulla sinistra) è facilissimo visualizzare le linee di forza del campo magnetico, come mostra questa foto digitale scattata dal sottoscritto. Sulla destra si vede invece una bussola, il cui ago segue invece le linee di forza del campo magnetico terrestre.
Una foto che meritava davvero la pubblicazione in questa galleria è quella qui a fianco, la quale illustra un vecchissimo barattolo di limatura di ferro. Purtroppo è un po' grossolana, ma può essere utilizzata benissimo per eseguire esperienze che comportano l'uso di magneti molto intensi. Impossibile risalire all'anno di vendita di questo barattolo, ma certamente non è posteriore agli anni cinquanta del secolo scorso!
Un modo assai più moderno per visualizzare le linee di forza del campo magnetico è questa straordinaria tavoletta contenente limatura di ferro immersa in un opportuno gel. Dopo aver agitato la tavoletta in modo da distribuire uniformemente la limatura, la si dispone sopra il magnete, come ad esempio questo magnete a sbarra, e picchiettando sulla sua superficie si ottiene la distribuzione del ferro lungo le linee di forza. Ecco lo spettacoloso risultato...
Mediante la medesima tavoletta è possibile osservare le linee di forza del campo magnetico prodotto da due magneti a sbarra con i poli magnetici Nord e Sud affacciati: è immediato osservare le linee di forza che vanno da un polo all'altro, così come si vedono le linee richiudersi tutt'intorno ai due magneti. Appare allora davvero semplice immaginare che le medesime linee si richiudano all'interno dei magneti, come comporta il fatto che il campo magnetico è un campo solenoidale.
Se invece i due magneti a sbarra vengono avvicinati con i poli Nord (o Sud) affacciati, si possono vedere chiaramente le linee di forza divergere, in modo da non poter attraversare una superficie immaginaria, posta esattamente alla mezzeria del segmento che congiunge i due poli, detta superficie nodale. Gli esperimenti dimostrano in modo incontrovertibile che non esistono "cariche magnetiche" analoghe alle cariche elettriche, e che le linee di forza magnetiche sono sempre chiuse.
La stessa bussola della foto precedente è ora visibile in quest'altra fotografia, che illustra però anche una bussola di inclinazione o inclinometro magnetico. Ideata dall'inglese Robert Norman intorno al 1576, essa misura in pratica la componente verticale del campo magnetico terrestre. L'ago magnetico, girevole intorno a un asse orizzontale, può ruotare in un piano verticale, che viene fatto coincidere con il meridiano magnetico, e l'angolo di inclinazione fornisce la distanza in gradi del luogo dove si trova la bussola dal Polo Nord magnetico.
Quello qui riprodotto invece è un magnete a ferro di cavallo, cosiddetto per la sua forma. Esso viene spesso utilizzato negli esperimenti (ad es. la bilancia di Faraday) perchè presenta il vantaggio di generare, tra le sue espansioni polari, un campo magnetico pressoché uniforme. In questo caso il rosso indica il polo Nord e il verde il polo Sud. Da notare che, se lo spezzassimo in due, non riusciremmo a dividere i due poli, perchè si creerebbero due magneti entrambi dotati di polo Nord e polo Sud. Si dice che il campo magnetico è "solenoidale", cioè è privo di sorgenti e di pozzi. in altre parole, non esiste il monopolo magnetico isolato, mentre esiste il monopolo elettrico (cioè la carica elettrica).
Una versione davvero insolita della tavola periodica di Mendeleev, che mette in evidenza quelli con proprietà diamagnetiche, paramagnetiche ferromagnetiche. Il disegno (colorato al computer) è opera dell'autore di questo sito.
Con questo rudimentale ma efficace apparato, fotografato da Marta Milano, è possibile ripetere l'esperienza di Öersted. Il ripiano regolabile regge un ago magnetizzato, che viene progressivamente avvicinato ad un cavo di rame percorso da corrente. Man mano che si avvicina, si osserva la deviazione dell'ago che tende a diventare perpendicolare al cavo: ecco un filmato digitale dell'esperienza. Ma attenzione all'amperaggio della corrente: il cavo può scaldarsi sino a fumare visibilmente!
Un altro apparato per verificare l'effetto Öersted è rappresentato in questa foto: la corrente elettrica fatta fluire attraverso la sbarra di metallo provoca la deviazione dell'ago magnetico, proprio come in figura.
La legge di Biot-Savart è fondamentale nello studio del magnetismo, perchè fornisce una misura quantitativa del campo percorso da un cavo rettilineo percorso da corrente, la cui osservazione qualitativa si deve ad Öersted. Ecco l'apparato sperimentale per visualizzarne gli effetti; la lampadina è stata inserita perchè il cavo rettilineo ha una resistenza bassissima e rischierebbe di mettere l'alimentatore in corto circuito. Che cosa si osserva?
Come si vede, il cavo rettilineo genera delle linee di flusso circolari, poste in piani perpendicolari al cavo, chiaramente messe in evidenza da questa fotografia. Misure quantitative rivelano che il campo magnetico così prodotto è direttamente proporzionale all'intensità della corrente elettrica ed inversamente proporzionale alla distanza dal cavo. Questo costituisce la prova dell'inesistenza di cariche magnetiche in analogia alle cariche elettriche: se esistessero, la legge di Biot-Savart dipenderebbe anch'essa dall'inverso del quadrato della distanza, come la legge di Coulomb, e le linee di forza magnetiche non sarebbero chiuse, come invece appaiono inequivocabilmente quelle della figura!
Questa fotografia digitale rappresenta le linee del campo magnetico generato da una spira percorsa da corrente. Come si vede, in vicinanza del cavo metallico le linee di forza appaiono quasi circolari, come se prodotte da un filo rettilineo, mentre al centro della spira diventano quasi rettilinee, come se prodotte da un solenoide (vedi foto sottostrante).
Ed ecco ripreso per l'appunto il campo che si forma all'interno di un solenoide percorso da corrente elettrica, evidenziate per mezzo della solita limatura di ferro. Si noti che le linee di forza sono praticamente rettilinee dentro il solenoide (il campo è cioè uniforme), ma immediatamente all'esterno delle spire tendono ad incurvarsi verso l'esterno (effetti di bordo), mentre presso i cavi somigliano a quelle della foto precedente. Una rappresentazione intuitiva ma efficace.
Nella fotografia vediamo riprodotto l'esperimento della bilancia di Faraday. Sulla bilancia elettronica è posto un magnete a ferro di cavallo del peso di circa 1 Kg, tra le cui espansioni polari è sospeso un cavo percorso da corrente elettrica. Attivando l'alimentatore, il magnete perde o acquista alcuni grammi di peso a seconda del modo in cui sono girate le sue espansioni polari;: questo avviene perchè una corrente immersa in campo magnetico avverte una forza, che in questo caso agisce sul magnete.
L'esperienza qui ritratta è stata eseguita per la prima volta da Ampére per dimostrare la reciproca interazione tra due fili percorsi da corrente. Come si vede, è bastato tendere i due cavi e poi farli attraversare da due correnti uguali ed equiverse: come si vede nelle due miniature a destra, se non passa corrente i due cavi distano 2 cm, mentre se la si fa passare la distanza reciproca si riduce a 1,2 cm, valore da cui è possibile risalire all'entità delle due correnti!
L'oscillografo a specchio qui ritratto mette in evidenza, per mezzo di un raggio di luce deviato dallo specchietto, le oscillazioni dell'equipaggio dovute all'azione di un campo magnetico.
Ed ecco un'interessante applicazione dell'elettromagnete: un trasmettitore telegrafico. Premendo il pulsante la leva si abbassa e chiude il circuito; a grande distanza un elettromagnete attira una punta scrivente che lascia su una striscia di carta un punto o una linea, a seconda della durata della pressione. E' in sostanza il principio di funzionamento del telegrafo di Samuel Morse.
Questa semplice apparecchiatura sperimentale, realizzata con la collaborazione dell'alunno Andrea Franzoni, mostra la simulazione di un telegrafo usando il trasmettitore testé visto; anziché un pennino scrivente, per semplicità, esso comanda un campanello elettrico (vedi più sotto). Si tratta quindi di un "telegrafo acustico".
Un altro "pezzo da museo" è questo ago astatico, utilizzato per illustrare l'interazione tra un ago magnetico e una spira percorsa da corrente. Facendo passare corrente nella spira ed invertendone più volte il verso, l'ago ruota rapidamente in un verso o nell'altro (da cui il nome di "ago astatico"). Questo principio ha condotto lentamente all'invenzione del galvanometro e poi del motore elettrico, come descritto nelle immagini immediatamente seguenti.
Quello qui ritratto è il cosiddetto galvanometro a specchio. Come si vede, un filo appeso dentro un cilindro chiuso (per non essere disturbato dalle correnti d'aria) regge un sistema astatico, formato da due aghi magnetici uniti parallelamente e con i poli contrapposti, in modo da non essere influenzati dal campo magnetico terrestre. Uno specchietto è posto a mezza altezza del filo. La corrente che si deve misurare passa tra i due magneti, facendoli ruotare nello stesso verso. Dall'angolo di rotazione, amplificato dallo specchietto, si risale all'intensità della corrente.
Il modellino qui riprodotto non rappresenta altro che un ingegnoso motore a mercurio ideato da Michael Faraday. Le linee di forza del campo magnetico producono la rotazione della ruota dentata, mentre il circuito è chiuso dal mercurio (o altro liquido conduttore) che viene versato nella vaschetta sottostante. Non è più funzionante ma desta sempre una certa impressione sapere che questo è l'antenato degli elaborati motori elettrici ritratti qui sotto.
Un datato ma ancora efficace motorino elettrico, che consta di un rotore fatto girare dentro uno statore. Quest'ultimo è rappresentato da un elettromagnete alimentato dalla stessa corrente che viene collegata alle spazzole del rotore (sulla sinistra), in modo da produrre la rotazione della bobina dentro un campo magnetico pressoché radiale. Un'esperienza sicuramente di grande impatto su tutti gli studenti. La foto è di Marta Milano (III B cl. a.s. 2004/05).
Ed ecco in figura un altro motore, stavolta assai più massiccio ed in grado di raggiungere velocità assai maggiori. Si vede chiaramente il rotore al centro, mentre lo statore è stato smontato e riposto in una cassetta a parte. Per metterlo in moto è necessario dare una spinta al rotore con le dita; per questo motivo esso oggi non è più usato durante le esperienze di laboratorio e lasciato solo in esposizione a scopo puramente didattico.
Qui vediamo il motore all'opera. Come si vede, le due spazzole che strisciano sul rotore sono state collegate all'alimentatore; ogni volta che il rotore compie mezzo giro, le spazzole invertono la polarità della corrente nel rotore, e quindi il momento magnetico ad esso associato. Questo permette al rotore di continuare la sua corsa finché dura l'alimentazione elettrica! Se volete, scaricate da qui un'animazione del funzionamento di questo motore.
La foto a sinistra, evidentemente associata alle tre precedenti, mostra gli accessori per far funzionare il motore elettrico, tra cui le espansioni polari suddette, da montare tutt'attorno al rotore. Si vede anche un "rotore a gabbia di scoiattolo", di impiego particolare, oltre al motorino ripreso poco sopra. Per amanti del bricolage!
Ed ecco il "rotore a gabbia di scoiattolo". Si tratta di un particolare rotore privo di collettore, con un avvolgimento in cortocircuito inclinato di 45° rispetto all'asse di rotazione, così da ricordare un tipico accessorio delle gabbiette dei criceti. In questo caso il motore non ha più bisogno degli statori magnetici, né delle spazzole, poiché esso viene trascinato nel suo moto da due campi magnetici ortogonali tra di loro, l'uno sinusoidale e l'altro cosinusoidale. Sommandosi, essi danno luogo ad un campo magnetico rotante che fa girare direttamente il rotore; il motore va però alimentato con una corrente alternata.
Questo che vedete fotografato è il motorino perfettamente funzionante realizzato dallo studente Alessandro Nardi (5 A a.s. 2016/17). Si tratta di una spira di rame poggiata su due ganci anch'essi di rame e collegati ai poli di una batteria. La spira è libera di ruotare al di sopra di un magnete. Collegando il tutto all'alimentatore si vede la spira ruotare nel campo magnetico: Tanto di cappello all'autore di questo gioiellino!
Una foto eccezionale scattata dal sottoscritto, che ritrae uno strumento d'epoca oggi difficilissimo da reperire: un modello di campo magnetico rotante, in grado di mettere in moto il disco di metallo visibile all'interno delle bobine, isolate con materiale davvero appartenente ad un altro tempo. Si tratta a tutti gli effetti di un pezzo da museo, antenato del motore elettrico visibile nelle foto sovrastanti.
Questo circuito (la cui forza elettromotrice è assicurata dall'alimentatore già usato molte volte) porta inserito in serie un amperometro a bobina mobile, di fattura piuttosto antica ma di grande valenza didattica, essendo trasparente in modo da poterne vedere l'interno. No, non ho sbagliato armadio; voglio infatti calamitare la vostra attenzione sullo strumento di misura, che è un'ulteriore applicazione del moto della spira percorsa da corrente ed immersa in un campo magnetico.
Ecco un ingrandimento del suddetto amperometro, che ne illustra il funzionamento. In rosso si vede un magnete a ferro di cavallo, opportunamente sagomato, tra le cui espansioni polari si vede una bobina (vedi foto seguente), percorsa dalla corrente di cui si deve misurare l'amperaggio. La bobina subisce un momento torcente dovuto all'interazione tra il suo momento magnetico ed il campo magnetico della calamita rossa, e ruota di un angolo che in buona approssimazione è proporzionale alla corrente. La sua rotazione provoca il moto di una lancetta, trattenuta da una molla a spirale. Semplice ma geniale.
Una semplice bobina, formata da un cavo di rame isolato ed avvolto strettamente intorno ad un tubo di plastica (in questo caso di forma quadrata), nel quale è possibile inserire delle anime di ferro. La bobina è fondamentale per compiere qualsivoglia esperienza di elettromagnetismo (qui è fotografato da Roberto Carettoni III B cl. a.s. 2005/2006).
La bobina può essere utilizzata per costruire un elettromagnete. Mentre l'esperienza del solenoide dimostra che un avvolgimento percorso da corrente genera al suo interno un campo magnetico pressoché uniforme, invece la presenza di un nucleo di ferro dolce (particolare lega di ferro e carbonio) amplifica enormemente il campo magnetico, che come si vede in figura è in grado di tenere sollevata una biglia di acciaio!
In questa foto lo studente Danian Sina (III A cl. a.s. 2005/2006) dimostra l'efficacia del campo magnetico generato dall' elettrocalamita lasciando andare una pallina metallica, che viene attirata dal nucleo di ferro dolce. Ciò avviene per il fatto che il materiale ferromagnetico ha una permeabilità magnetica mille volte superiore a quella del vuoto e dell'aria.
Queste fotografie invece le dobbiamo alle zelanti studentesse Elena Galmarini e Federica Pugliese (4 G a.s. 2013/14): esse hanno costruito un elettromagnete come mostrato nelle foto soprastanti, quindi hanno acceso l'alimentatore ed hanno avvicinato ad esso un foglio su cui era cosparsa della limatura di ferro. Quest'ultima si è immediatamente disposta secondo le linee di forza del campo magnetico, dimostrando l'efficacia del nucleo ferromagnetico all'interno della bobina!
Il campanello elettrico è una delle applicazioni più interessanti dell'elettrocalamita (cliccate qui per scaricare un brevissimo filmato che lo mostra all'opera). Il battente è attirato contro il campanello proprio da un'elettrocalamita, ma esso suonerebbe solo una volta se il circuito non fosse chiuso proprio attraverso il battente ed un contatto poggiato ad esso in posizione di riposo. Se l'elettrocalamita attira il battente, questo si stacca dal contatto ed apre il circuito, l'elettrocalamita si disattiva ed una molla riporta il battente in posizione di riposo. Qui però tocca di nuovo il contatto, il circuito si richiude, l'elettromagnete attira di nuovo il battente, e così via, generando il tipico trillo ben noto agli studenti...
Un'altra applicazione dell'elettrocalamita si trova in questo microfono a carbone. In pratica esso contiene proprio dei granuli di carbone; parlando dentro il microfono, la membrana agita questi granuli e varia così la resistenza, e quindi la corrente trasmessa attraverso il cavo. Questo lo collega poi ad un altoparlante, dove è contenuto proprio un elettromagnete. Esso, seguendo le variazioni di corrente suddette, attira una membrana metallica che, vibrando, riproduce la voce di chi parlava nel microfono. Un vero pezzo da museo che sembra uscito da qualche film dedicato alla Seconda Guerra Mondiale!
Ed ecco un altro microfono a carbone, da usarsi per la ricezione di onde sonore, ma anche per la misurazione della velocità del suono nell'aria. Il suo campo di frequenze va da 50 a 4000 Hz. Sul pannello frontale si trovano una coppia di boccole per la bassa e una coppia per l'alta resistenza di uscita; una lampadina ad incandescenza indica quando il microfono è in esercizio.
Questo invece è un microfono piezoelettrico o a cristallo, con un campo di frequenze da 40 a 15000 Hz. Esso sfrutta l’effetto piezoelettrico che si manifesta in alcuni cristalli quando vengono sottoposti a sollecitazioni meccaniche come variazioni di pressione. Quando le onde sonore mettono in vibrazione la membrana del microfono, quest’ultima fa variare la pressione esercitata su una lamina di cristallo piezoelettrico, generando tra le due facce del cristallo una leggera differenza di potenziale. Un amplificatore in uscita rinforza il segnale. Esso è utilizzato in telefonia e nei sistemi radiofonici. 
Il telefono a disco ritratto nella fotografia accanto, smontato da alcuni studenti della IV G a.s. 2005/2006 appassionati di elettronica, rappresenta la più classica applicazione del microfono a carbone sopra descritto. Ad inventare l'apparecchio è stato il fiorentino Antonio Meucci (1808-1889), costretto ad espatriare negli Stati Uniti perchè coinvolto nei moti rivoluzionari del 1831, anche se a lungo la scoperta gli fu scippata dall'americano Graham Bell (1847-1922); solo nel 2001 il Congresso degli Stati Uniti ha riconosciuto la priorità dell'invenzione di Meucci, che Bell si limitò a perfezionare. La prima centrale telefonica del mondo fu installata nel 1877 a New Haven (Connecticut). Oggi il disco è stato sostituito dal tastierino numerico.
Ed ecco invece la cornetta smontata di un telefono moderno; il confronto con il microfono a carbone sopra presentato è stridente, ma il principio di funzionamento è lo stesso; solo, il tutto è molto più compatto. A destra si vede il microfono di dimensioni ridottissime, a sinistra l'altoparlante da avvicinare all'orecchio. I due sono collegati con cavetti sottilissimi.
Dalla parte opposta rispetto al suddetto microfono si può trovare questo amplificatore a bassa frequenza. Come si vede, esso è dotato di un dispositivo di input che permette l'acquisizione della bassa frequenza, ed è in grado di amplificarla attraverso l'evidente altoparlante in esso incluso, che ricorda da vicino le moderne casse stereo. In realtà sono le casse stereo a non essere altro se non una versione moderna e perfezionata di questo dispositivo!
La quarta importante applicazione dell'elettromagnete che fa parte di questa galleria è il relé, da noi già visto in precedenza per realizzare la Porta Logica NOT. Si è detto che si tratta di un servointerruttore; ciò significa che esso rappresenta un piccolo interruttore funzionante con una d.d.p. di pochi Volt, in grado di aprire o chiudere un circuito nel quale circolano centinaia o miglia di Volt. In questo caso è il piccolo elettromagnete in figura ad azionare la levetta che apre e chiude il circuito.
Ed ecco una nuova rappresentazione del circuito con relé. Di quest'esperienza sono disponibili anche due brevi filmati digitali: nel primo, chiudendo il circuito primario si accende la lampadina nel secondario; viceversa, nel secondo chiudendo il primario la lampadina attenua la propria luminosità (il relé non ce la fa ad aprire del tutto il secondario). Il circuito e i filmati sono stati eseguiti con la collaborazione di Davide de Alberti e di Andrea Franzoni (III B cl. a.s. 2005/2006).
Ecco a voi un interruttore differenziale trifase di proprietà dell'Isis Andrea Ponti di Gallarate. L'interruttore differenziale è un dispositivo di sicurezza in grado di interrompere il flusso di corrente in un circuito elettrico di un impianto elettrico in caso di guasto verso terra (dispersione elettrica), impedendo la folgorazione di eventuali persone a rischio. È detto differenziale, perché basa il suo funzionamento sulla rilevazione dell'eventuale differenza di correnti elettriche rilevata in ingresso e in uscita al sistema elettrico in caso di dispersione.
Con due bobine inserite in un'anima metallica a ferro di cavallo è possibile costruire un modello di trasformatore elettrico. Infatti il rapporto tra le tensioni applicate alle due bobine è pari al rapporto tra i rispettivi numeri di spire; usando due bobine con numero di spire diverso è possibile modificare il voltaggio a piacimento. Questa foro e la successiva sono state scattate da Roberto Carettoni (III B cl. a.s. 2005/2006).
Questo è il circuito da montare per verificare il funzionamento di un trasformatore elettrico. A sinistra c'è un alimentatore che eroga una corrente da 6 Volt, misurata dal voltmetro di destra sulla bobina detta « primario ». La seconda bobina, detta « secondario », ha un diverso numero di spire, ed il secondo voltmetro permette di verificare la legge del trasformatore. In questo caso la bobina primaria ha 1000 spire e la secondaria 250; come si vede, il voltaggio misurato dal voltmetro di sinistra è proprio un quarto di quello misurato dal voltmetro di destra!
Ed ecco il nucleo di un trasformatore estratto dal sottoscritto da un componente elettrico; si vede bene l'anima a ferro di cavallo e la bobina con gli avvolgimenti. Le dimensioni dell'oggetto però sono solo di pochi centimetri, mentre il trasformatore costruito a scopo didattico nell'esperienza precedente raggiunge i 30 cm. Necessità di compattezza...
Questo è un trasformatore di Tesla, strumento che prende il nome dal suo inventore, l'ingegnere di origine croata Nikola Tesla (1857-1943). Poche spire di filo di grossa sezione costituiscono l'avvolgimento esterno o primario, al cui interno è posto un altro avvolgimento secondario, costituito da moltissime spire di filo sottile, per cui la tensione ai capi del secondario è molto più grande della tensione ai capi del primario. Il trasformatore di Tesla trova applicazione come elevatore di tensione ad alta frequenza, e viene anche utilizzato nel generatore di Tesla, che produce potenziali elevatissimi (MVolt) con correnti alternate ad alta frequenza (MHz) ma di debolissima intensità e non pericolose per gli operatori.
Ed ecco, grazie alla cortesia dell'amico Maurizio, un trasformatore di Tesla in azione, costruito da lui stesso con grande perizia. Esso è chiamato anche VTTC (Vacum Tube Tesla Coil), essendo costituito da due avvolgimenti che danno vita ad un trasformatore avvolto in aria, quindi senza nucleo metallico. L'altissima differenza di potenziale generata ai capi del secondario è sufficiente per produrre queste incredibili scariche! Come l'amico Maurizio dimostra, lo si può costruire anche in casa, ma dopo lunghi calcoli e innumerevoli precauzioni: il primo errore, giocando con esso, può essere anche l'ultimo!
Questa foto, scattata in una camera d'albergo, mostra (sulla destra) uno switch per passare da 220 V a 110 V e viceversa. Come mai questa particolarità? Perchè, se noi siamo abituati ai 220 Volt, non altrettanto lo sono i cittadini americani, perchè Thomas Alva Edison scelse 110 Volt per gli apparecchi da lui ideati, mentre in passato Nicola Tesla aveva proposto di adoperare un voltaggio di 240 Volt!
Questa è una macchina bobinatrice di proprietà dell'Isis Andrea Ponti di Gallarate, utilizzata per realizzare avvolgimenti di motori trifase. Essa è in grado di avvolgere una lunghissima matassa di filo di rame intorno ad una bobina, e rappresenta molto bene il passato protoindustriale di un'Italia non ancora dedita a smartphone e tablet, che basava gran parte della propria economia sull'industria pesante, vero motore di quello che è passato alla storia come il « miracolo economico ».
Quello in figura è un traliccio dell'alta tensione e ci riporta all'importante problema del trasporto della potenza elettrica. Essa va trasportata ad alto o a basso voltaggio? Ad alto, anche se ciò può parere strano, perchè a parità di potenza un alto voltaggio significa un basso amperaggio, e l'effetto Joule ci dice che la potenza dissipata in calore è proporzionale al quadrato dell'amperaggio. Ecco perchè la tensione va trasformata ad altissima tensione (380.000 V!) prima di venire trasportata!
L'oggetto in figura è un rocchetto di Ruhmkorff, così detto dal nome del suo inventore. Esso trasforma una corrente continua, prodotta a bassa tensione, in una corrente pulsata ad alta tensione. È costituito da due avvolgimenti isolati su un nucleo di ferro dolce; uno degli avvolgimenti, il primario, ha poche spire spesse, mentre l'altro, il secondario, ha molte spire sottili. Se la corrente continua inviata al primario viene interrotta, si produce agli estremi del secondario una forza elettromotrice molto elevata, che sotto opportune condizioni dà luogo ad una scarica elettrica, visibile tra i due elettrodi.
Un altro rocchetto di Ruhmkorff, ma molto, molto più grande del precedente! Un altro esemplare da museo, ancora funzionante ma non più utilizzato per evidenti motivi di sicurezza: può fornire scariche elettriche molto potenti, in grado di disturbare un oscilloscopio anche lontano (quest'ultima evidenza permetterebbe di ripetere l'esperienza di Hertz e, quindi, di visualizzare la produzione di onde elettromagnetiche).
Questo apparato sperimentale, fotografato sempre dagli allievi della III B cl. a.s. 2005/2006, permette la ripetizione della prima esperienza di Faraday sull'induzione elettromagnetica. Inserendo ed estraendo il magnete dalla bobina in primo piano si osserva un passaggio nella stessa di una debole corrente elettrica, che cambia verso a seconda che il magnete sia inserito con il polo Nord o il polo Sud, ed a seconda che sia inserito o estratto.
La fotografia in questione illustra un altro modo, più semplice e compatto, per eseguire la prima esperienza di Faraday. Stavolta, al posto dell'ingombrante tester dell'immagine precedente, è stato usato un sensibilissimo microamperometro a zero centrale, la cui lancetta oscilla notevolmente ad ogni minimo movimento relativo tra magnete e bobina. Potete visionare anche due brevi filmati relativi a quest'esperienza: nel primo la mano è quella di Andrea Franzoni (III B cl. a.s. 2005/06), nel secondo la mano è di Marika Carlino (III B a.s. 2008/09).
La seconda esperienza di Faraday sull'induzione elettromagnetica può venire ripetuta con questo circuito. Il primario, visibile a sinistra, è costituito da una bobina collegata all'alimentatore (e con una lampadina onde evitare un cortocircuito); in essa è infilato un nucleo di ferro dolce. Avvicinando e allontanando la bobina del secondario, l'amperometro segnala un passaggio di corrente per via della variazione di flusso magnetico.
La seconda esperienza di Faraday si può ripetere anche in un altro modo. La bobina di sinistra ("primario") è alimentata dal trasformatore per mezzo di un reostato, mentre la seconda ("secondario") è collegata direttamente all'amperometro, e le due bobine sono infilate nella stessa barra di ferro. Si osserva un passaggio di corrente nel secondario solo se il cursore del reostato nel primario viene azionato!
Altra fotografia della seconda esperienza di Faraday, realizzata stavolta dagli alunni della III B cl. a.s. 2004/05, senza fare uso della barra di ferro. Un altro esempio di come le equazioni della fisica si apprendono meglio se spiegate a partire dalle stesse prove sperimentali usate dai loro autori, in questo caso il grande Michael Faraday (1791-1867) nel 1835.
Questa duplice bobina è chiamata apparecchio di Faraday e serve per mostrare la generazione di correnti indotte secondo la legge di Faraday-Neumann-Lenz, la quale afferma che la differenza di potenziale indotta è pari alla derivata temporale del flusso di campo elettrico cambiata di segno. Inserendo nella bobina esterna una corrente alternata secondo una precisa legge sinusoidale rilevabile con l'oscilloscopio (vedi figura seguente), in quella interna si rileva una forma d'onda che è esattamente la derivata della precedente cambiata di segno.
Un'esperienza che val sempre la pena di mostrare agli studenti è quella del pendolo di Walthenhofen. Si tratta di un normale pendolo metallico, fatto però oscillare tra le espansioni polari di un'elettrocalamita. Se si dà tensione a quest'ultima, il pendolo si arresta quasi istantaneamente. Perchè? Nel pendolo vengono indotte delle correnti parassite di Foucault. le quali per effetto Joule dissipano tutta l'energia del pendolo e lo arrestano. Inutile dire che tali correnti sono estremamente dannose perchè dissipano sotto forma di calore l'energia che noi vorremmo per far funzionare motori, trasformatori, eccetera.
Ed ecco il nostro tecnico di laboratorio Elio Tagliaferro, fotografato dalla studentessa Sara Gusmeroli (5 B a.s. 2016/17), che si prepara ad eseguire l'esperienza del pendolo di Walthenhofen. Si noti che ha in mano due diversi supporti per il pendolo. Infatti il fenomeno non avviene se si adopera un pendolo simile ad un pettine, diviso da fessure, perchè queste ultime spezzano le correnti di Foucault ed impediscono la loro formazione! Di quest'esperienza è disponibile anche un filmato digitale.
Questo è un semplice modello di alternatore. Al motore descritto sopra sono state aggiunte altre due espansioni polari lungo un asse perpendicolare a quello delle prime due. Queste espansioni sono infilate dentro due piccole bobine, collegate alle due boccole del portalampadina di cui il  supporto di montaggio è montato. Dopo aver avvitato in esso la lampadina, si avvia il motore, eventualmente aiutandosi con la spinta delle dita. Si nota che la lampadina si accende e la sua luce pulsa, a causa della corrente sinusoidale che il rotore del motore induce nelle bobine e quindi nel circuito secondario.
La triplice foto in figura illustra un modello di generatore a corrente alternata di una serie di telefoni da campo tedeschi, con un'uscita 60 volt circa per la suoneria di chiamata dell'altro telefono. Tra l'altro sull'asse della manovella c'e' un contatto che esclude la conversazione durante la chiamata Il dispositivo risale aal 1935.  Le foto mi sono state inviate dall'amico Stefano Cea, ed il meccanismo è stato interpretato da Cico Perez: li ringrazio moltissimo entrambi!
Questa foto, scattata da Marta Milano il 26/2/2006 al Museo Nazionale della Scienza e della Tecnica di Milano, rappresenta la centrale Regina Margherita, una vera centrale termoelettrica inaugurata nel 1895 alla presenza della Regina Margherita, dalla quale deriva il suo nome; installata nelle officine Gavazzi di Desio, funzionò fino al 1954. Essa è costituita da una macchina a vapore che mette in azione due alternatori, necessari a produrre l'energia elettrica per l’illuminazione della fabbrica e per azionare oltre 1800 telai per la lavorazione della seta. 
Ed ecco un altro modo assai ecosostenibile di produrre energia elettrica: una centrale eolica, situata nel comune di Gangi (PA), con il meraviglioso sfondo dell'Etna; questa foto mi è stata inviata dall'amico Giuseppe Biundo. Questa centrale sfrutta la conversione dell'energia cinetica dei venti in energia elettrica, ed è caratterizzata da generatori eolici ad asse orizzontale. Quella eolica è l'energia sicuramente a minor costo, ma l'impatto ambientale e l'inquinamento acustico rappresentano un grosso disincentivo all'installazione di questo genere di impianti, ancora troppo poco diffusi.
Questo interessante diagramma mostra l'evoluzione nel tempo delle forme energetiche utilizzate dall'uomo nei trasporti: come si vede, per la maggior parte della nostra storia noi abbiamo sfruttato l'energia muscolare, nostra o di animali; l'energia dei venti riguarda soprattutto le navi a vela, mentre a partire dall'ottocento a farla da padrone sono stati i combustibili fossili. Solo negli ultimissimi anni ha fatto capolino la propulsione nucleare!
La foto della studentessa Marta Milano (a lei il mio grazie!) illustra alcuni raddrizzatori, utilizzati per trasformare la corrente da alternata a continua, e costituiti pastiglie di selenio o silicio (oggi sostituiti da diodi, come si è visto). Per curiosità, dietro di essi è visibile una stampa d'epoca che illustra la centrale geotermica di Larderello, in Toscana, che produce energia elettrica grazie al vapore emesso dai "soffioni boraciferi", veri e propri geyser.
Il componente circuitale qui fotografato è un'induttanza. Più precisamente, l'induttanza è la grandezza fisica di cui questo componente ha un valore elevato, ed è definita come la costante di proporzionalità tra il flusso magnetico autoconcatenato con un circuito e la corrente che lo percorre; il flusso autoconcatenato è quello le cui linee di forza magnetiche sono originate dalla stessa corrente che percorre il circuito, concatenate con il circuito medesimo. Si misura in Henry (Ohm per secondo). L'induttanza è un componente fondamentale in elettrotecnica ed in elettronica.
Questo che vedete è un generatore di segnali a bassa frequenza di proprietà dell'Isis Andrea Ponti di Gallarate, un generatore di forme d'onda a frequenza infrasonica, con funzione ad esempio di modulatore di effetti negli strumenti musicali elettronici. Esso può generare onde sinusoidali, onde quadre, onde a dente di sega, ed anche un segnale casuale.
In figura si può vedere un oscilloscopio a raggi catodici, strumento in grado di visualizzare l’andamento nel tempo dei segnali elettrici. Dal momento che oggi è possibile convertire in grandezze elettriche la maggior parte delle grandezze fisiche, dalla temperatura ambientale al battito cardiaco, di fatto mediante l'oscilloscopio si può rappresentare qualunque grandezza fisica. Particolarmente interessante la rappresentazione della corrente alternata. Come si vede nella foto, il nostro esemplare è dotato di elettrodi di input per rilevare questi segnali elettrici. Ecco un filmato che mostra come regolarne la base dei tempi.
Come si può vedere, sulla destra il nostro oscilloscopio presenta due uscite, che permettono immediatamente di visualizzare per gli studenti due tipi particolarissimi di segnale elettrico. Il primo, qui visualizzato, è la cosiddetta onda quadra: un segnale composto da due unici livelli di tensione, equivalenti ai due stati logici 0 e 1. In realtà in questi segnali digitali il tempo di transizione dal livello basso a quello alto, detto "fronte di salita" (rise time), e da quello alto a quello basso, detto "fronte di discesa" (fall time), non è nullo ma è molto breve. Basta inserire l'elettrodo nell'uscita corrispondente per veder formarsi l'onda quadra sull'oscilloscopio. Potete scaricare da qui un breve filmato digitale di quest'esperienza.
Inserendo invece l'elettrodo nella seconda uscita, è possibile veder formarsi sull'oscilloscopio un'onda a denti di sega (sawtooth wave), cosiddetta per la sua forma: prima sale verso l'alto linearmente, e poi scende bruscamente. L'onda a denti di sega è la base di quasi tutti i tipici suoni "synth" nei sintetizzatori analogici. Purtroppo con il nostro oscilloscopio siamo riusciti a vedere solo la rampa di salita, a causa del periodo troppo lungo. Ecco in proposito un altro filmatino digitale.
L'oscilloscopio può essere utilizzato per visualizzare molto semplicemente una corrente alternata. Basta connettere l'uscita di input, preposta ad alimentare le piastre che controllano il movimento del pennello elettronico, ad un qualunque alimentatore a corrente alternata, e si vedrà chiaramente la tipica forma d'onda di questa corrente, dovuta al moto rotatorio della spira dell'alternatore in campo magnetico. Leggendo la scala dei tempi dell'oscilloscopio (manopola in basso a destra) è assai facile dedurre la frequenza di rete della corrente, pari a 50 Hz (in Europa; negli USA a 60 Hz).
Questo è l'apparato sperimentale per mettere in evidenza la forma d'onda della corrente alternata di rete: l'input è inserito direttamente nella boccola di un trasformatore da 6 V. Si osserva come la forma d'onda ottenuta non sia in questo caso una sinusoide perfetta, a causa della sovrapposizione di molte armoniche dovute a molte centrali elettriche e a molte centraline di trasformazione diverse tra di loro, oltre agli innumerevoli disturbi presenti sulla linea.
L'oscilloscopio può essere utilizzato, ancor più semplicemente, per mettere in evidenza la forza di Lorentz, che è quella forza avvertita dalle particelle cariche quando entrano in un campo magnetico (F = q v /\ B). Avvicinando un magnete al pennello elettronico dell'oscilloscopio, si avverte che esso viene deviato da una forza perpendicolare sia al pennello che al campo magnetico. E la forma assunta dalla traccia elettronica lo mostra chiaramente!
Un'altra suggestiva esperienza da eseguirsi con l'oscilloscopio consiste nell'accostare allo schermo catodico dello stesso un magnete perpendicolare allo schermo medesimo. Si osserva che gli elettroni in campo magnetico subiscono una deflessione a spirale sotto l'effetto della forza di Lorentz, cioè subiscono il fenomeno della precessione di Larmor, lo stesso che è alla base del ciclotrone e del reattore nucleare a fusione!
L'eccezionale immagine ai falsi colori ripresa all'osservatorio VLA (Very Large Array) di Socorro (New Mexico) mostra gli elettroni intrappolati nell'intensissimo campo magnetico del pianeta Giove per effetto della forza di Lorentz cui si accennava qui sopra. Questo è un esempio di confinamento magnetico e dà luogo ad una versione ingrandita di quelle fasce di Van Allen che circondano il pianeta Terra, cosiddette dal nome dello scienziato della NASA James A. Van Allen che le scoprì durante il lancio dell'Explorer I il 31 gennaio 1958. Lo stesso principio si cerca di utilizzare per confinare i plasmi ad alta energia nei reattori nucleari a fusione.
Questa fotografia rappresenta invece un aurora boreale, fenomeno direttamente connesso con le fasce di Van Allen di cui già si è detto. Infatti le particelle cariche del vento solare intrappolate dal campo magnetico terrestre, quando giungono nelle due zone polari dove il campo magnetico terrestre è più intenso, danno vita ad un'intensa luminosità (paragonabile appunto a quella dell'aurora), la quale può assumere le forme più svariate: pennacchi luminosi verticali che guizzano come fiamme, archi luminosi in espansione, ampi tendaggi o anche solo una nebbiolina indistinta. Le aurore boreali raggiungono il loro culmine ogni 11 anni, in corrispondenza dei massimi di attività solare. Questa fotografia è stata ripresa in Norvegia.
L'apparecchio in questione è un'applicazione avanzata dell'oscilloscopio visto sopra: si tratta infatti di una macchina per realizzare un elettrocardiogramma (ECG), cioè per registrare l'attività elettrica del cuore che si verifica nel ciclo cardiaco. Ideato nel 1887 da Augustus Waller (1856-1922) al Saint Mary's Hospital di Paddington, Londra, esso sfrutta il principio per cui il miocardio è una macchina elettrica, le cui differenze di potenziale tempovarianti possono essere registrate tramite elettrodi applicati sul petto, grazie alla conducibilità dei liquidi interstiziali del corpo umano. Il normale tracciato elettrocardiografico presenta un aspetto caratteristico che varia soltanto in presenza di patologie, riconoscibili da un cardiologo.
Ed ecco un altro strumento medico per uso cardiologico: un defibrillatore, ideato nel 1947 dal chirurgo statunitense Claude Beck. Come dice la parola, esso viene usato su pazienti che hanno subito arresto cardiaco e fibrillazione ventricolare, cioè una contrazione non coordinata del muscolo cardiaco dei ventricoli, in conseguenza della quale il cuore non riesce a pompare adeguatamente il sangue. Per ristabilire una pulsazione cardiaca stazionaria si applica sul petto del paziente una scarica elettrica di 200, 300 o 360 Joule attraverso speciali elettrodi detti paddels. Un vero apparecchio salvavita!
Un altro strumento elettronico indispensabile per eseguire esperienze è il DTS o Digital Timer Scaler, cioè un timer digitale che permette di contare gli impulsi prodotti da altri strumenti, come ad un esempio il contatore Geiger (vedi la galleria di Fisica Atomica). Tuttora perfettamente funzionante.
A questo punto non è possibile non citare l'EOS o Electronic Oscillations Counter, strumento un po' datato ma tuttora in grado di contare gli impulsi emessi da altri strumenti: una funzione simile a quella dell'oscilloscopio, ma questo strumento non è in grado di presentare la forma d'onda delle oscillazioni, bensì solo di contarle mediante il display digitale.
Si dice antenna un dispositivi in grado di convertire il campo elettromagnetico da essa captato in un segnale elettrico e di irradiare, sotto forma di campo elettromagnetico, il segnale elettrico con il quale è alimentata: qualsiasi antenna può indifferentemente funzionare sia come trasmittente che come ricevente. L'esperienza qui mostrata consiste nell'usare una qualunque asta di metallo (in questo caso, un sostegno per il pendolo) e di toccarla con l'elettrodo dell'oscilloscopio; sul display si vedrà formarsi un'onda pressoché sinusoidale, perchè l'asta fa da antenna e capta le onde elettromagnetiche che in quel momento investono l'aula. Un'esperienza di sicuro successo con tutte le classi.
Un'esperienza veramente suggestiva è quella che porta il corpo umano a comportarsi come una vera e propria antenna. Allo scopo basta toccare con un dito lo spinotto di input dell'oscilloscopio; sullo schermo si nota subito una forma d'onda sinusoidale dovuta alle innumerevoli onde elettromagnetiche che attraversano l'etere, raccolte dal corpo umano così come fa l'antenna di una radio! Di questo istruttivo giochetto è disponibile anche un breve filmato digitale.
Ed ecco un coherer o coesore realizzato dal mio amico Pierluigi Guidi. Si tratta di un dispositivo inventato dall'italiano Temistocle Calzecchi Onesti (1853-1922), che permette di rivelare la frequenza modulante di una frequenza portante; oggi tale funzione è svolta dai diodi al germanio. Naturalmente il risultato ottenuto da Pierluigi ha stimolato anche la mia fantasia: perchè non provare a costruire io stesso un coherer, per i miei studenti? Ed ecco il risultato...
Il coherer lo vedete sul ripiano regolabile a sinistra, fotografato dal tecnico Elio Tagliaferro. Dentro una cannuccia di plastica ricavata da una comune biro ho inserito della limatura di ferro, premuta tra due cilindri metallici. La limatura è formata da granuli metallici disorientati, e quindi non conduce corrente elettrica. Come si vede, infatti, nonostante il circuito sia chiuso, la lampadina rimane spenta. Collochiamo però il coherer accanto agli elettrodi di una macchina di Wimhurst, e facciamo scoccare una scintilla tra di essi...
Investiti dall'onda elettromagnetica generata dalla scintilla, i granuli di limatura di ferro si orientano tutti secondo le linee di forza del campo magnetico, e la resistenza del dispositivo diminuisce considerevolmente, permettendo alla lampadina di accendersi. La limatura rimane polarizzata, ma basta picchiettare leggermente il contenitore per disorientare nuovamente i granuli. Agli esordi della radiotelegrafia, il coherer fu fondamentale utile per poter rivelare i segnali Morse, e lo stesso Guglielmo Marconi il 2 marzo 1899 riconobbe che senza il coesore di Calzecchi Onesti la radio probabilmente non sarebbe mai nata.
Ed eccola, una semplice radio costruita dal mio brillante allievo Andrea Alaimo (III B cl. a.s. 2005/06) seguendo le indicazioni che anche voi potete scaricare cliccando qui. La bobina avvolta di filo di rame rappresenta l'induttanza necessaria per il suo funzionamento, anch'essa fabbricata in casa dal mio allievo, mentre in basso si vede il condensatore variabile (vedi sopra) utilizzato per la sintonia dell'apparecchio, al quale necessitano anche un diodo ed alcune boccole per la cuffia.
Ecco una visione d'insieme della radio costruita da Andrea Alaimo e perfettamente funzionante, a patto di fare ricorso ad una antenna di lunghezza adeguata. L'antenna è rappresentata dal filo avvolto sulla sinistra, mentre quello a destra serve per la messa a terra tramite una comune tubazione interrata. Si vede anche la cuffia, da collegarsi alla radio attraverso le opportune boccole, attraverso cui è possibile ricevere la stazione voluta. Decisamente il mio studente merita un encomio per la perizia e per la buona volontà dimostrata in questa realizzazione!
Questa che vedete è una radio modello Blaupunkt, di fabbricazione tedesca, risalente agli anni trenta e tuttora funzionante. Con questa radio il nonno della prof.ssa Maria Rola, proprietaria dell'apparecchio, ascoltava Radio Londra durante i cupi anni della Seconda Guerra Mondiale. All'interno si notano le valvole termoioniche che permettevano il funzionamento della radio nell'era pre-transistor. Davvero un pezzo di valore da esporre in questo Armadio Virtuale!
Questa fotografia rappresenta un'antenna parabolica per radioamatori, come dimostrano le sue notevoli dimensioni. Perchè quest'antenna di ricezione è detta "parabolica"? Come spiegato nell'Armadio Virtuale di Matematica, la parabola ha una notevole proprietà geometrica: le onde che giungono su di essa parallelamente all'asse vengono tutte riflesse nel suo fuoco, dove si trova il ricevitore. E siccome il satellite che reinvia i segnali è lontanissimo, le onde da esso trasmesse si possono ritenere parallele all'asse. Analogo è il procedimento di trasmissione.
Quello che si vede in figura è il Radar di Malpensa 2000. Si chiama Radar (acronimo inglese per "RAdio Detection And Ranging", individuazione e misura di distanze via radio) un sistema per rilevare oggetti in volo attraverso onde elettromagnetiche che, inviate da , si riflettono sugli oggetti in questione e vengono rilevate da un'apposita antenna, subendo un leggero cambio di frequenza per effetto Doppler se il bersaglio è in movimento. Già Guglielmo Marconi aveva avuto l'idea di un apparato simile, ma fu l'ungherese Zoltán Bay il primo a metterne a punto un modello funzionante. Proprio grazie a quest'importantissima invenzione il Regno Unito riuscì a sconfiggere il Terzo Reich nella Battaglia d'Inghilterra e a scongiurare un'invasione tedesca!
Qui potete vedere una lampada a raggi ultravioletti. Queste onde elettromagnetiche hanno una lunghezza d'onda inferiore a quella della luce visibile, ma maggiore di quella dei raggi X, e nello spettro elettromagnetico sono poste al di là del violetto, da cui il nome. I raggi UV hanno una forte azione chimica: a contatto con la pelle fissano la vitamina D, indispensabile per un corretto sviluppo; ed  infatti un tempo i bambini cresciuti in bui slum soffrivano di rachitismo (debolezza delle ossa). Un eccesso di raggi UV però può portare a gravi tumori della pelle; fortunatamente li ferma lo strato di ozono atmosferico.
Ed ecco un vasto assortimento delle valvole termoioniche presentate subito sopra: diodi, triodi e pentodi, da usarsi in esperimenti di elettronica. Come si vede, rispetto ai transistor e ai diodi a semiconduttori essi appaiono assai più ingombranti, scaldano moltissimo (e quindi necessitano di refrigerazione), ed infine vanno soggetti a bruciarsi, proprio come le lampadine!
L'amico Pierluigi Guidi mi ha gentilmente inviato questa fotografia di un diodo d'epoca della Philips. Mentre gli esemplari della fotografia precedente misurano pochi centimetri, le dimensioni di questo esemplare sono deducibili dal righello blu da 20 cm posto davanti ad esso. Il diodo fu inventato nel 1904 da John Ambrose Fleming (1849-1945) ha la funzione di un raddrizzatore, lasciando passare la corrente praticamente in un solo senso.
Qui l'alunna Marta Milano (III B cl. a.s. 2004/05) ha ripreso uno degli strumenti che consente di ricavare la caratteristica tensione-corrente del triodo (dal greco: tre vie), leggendario dispositivo che ha fatto la storia della Fisica. Esso è se un tubo a vuoto nel quale sono contenuti un filamento e una placca, come nel diodo, ma anche una griglia interposta tra i due, cioè un filamento ad elica avvolta attorno al filamento. Ogni piccola variazione della d.d.p. tra la griglia ed il filamento produce una notevole variazione dell'intensità di corrente che attraversa la placca; per questo, il triodo termoionico funge da amplificatore di tensione. Oggi il suo uso è stato superato dal transistor, ideato da W. Brattain, J. Bardeen e W. Shockley nel 1948.
Con quattro diodi è possibile costruire un ponte a diodi analogo a quello già visto sopra, che funge da raddrizzatore; questo è un modello più perfezionato del precedente, e accanto ad esso è possibile vedere il microfono a carbone, del tutto analogo a quelli usati nei comuni telefoni, già illustrato in quel che precede.
Una foto davvero curiosa: sapete cosa rappresenta? Si tratta di un vecchissimo televisore a valvole smontato ed aperto sul retro, così da mostrare tutte le valvole termoioniche delle quali è composto. L'era dei transistor non è ancora cominciata, ed i Pc da ufficio non erano ancora nati. Qui siamo davvero nella preistoria dell'elettronica!
Restiamo nel campo dell'elettronica. Questa foto, scattata dal sottoscritto il 16/2/2005, raffigura il dispositivo sperimentale per la costruzione della caratteristica voltamperometrica di un diodo a semiconduttori, rappresentato dalla piastra di plastica con il simbolo circuitale diodico (la si vede collegata in parallelo agli elettrodi del voltmetro). Il vero diodo è piuttosto piccolo e saldato dietro la piastra stessa (si tratta di componenti molto antichi da me "risuscitati").
Ecco un altro apparato sperimentale simile al precedente per costruire la caratteristica tensione-corrente di un diodo a semiconduttori. Da destra a sinistra si vedono l'alimentatore, il reostato, il diodo, il voltmetro e l'amperometro; stavolta però al posto del diodo a cursore se ne è usato uno a manopola.
Uno strumento di notevole valore didattico: un generatore di segnali, capace di produrre un segnale a rampe lineari ("a denti di sega") ed uno ad onda quadra, da visualizzare poi per mezzo dell'oscilloscopio. Per gli studenti di elettronica (ma anche per quelli lineari) si tratta davvero di uno strumento indispensabile.
Dato che siamo in tema di elettronica, ecco la foto digitale di una vecchia calcolatrice tascabile, uno dei primi modelli in commercio (risale all'inizio degli anni ottanta), aperta per mostrarne la strumentazione interna. Si noti che il "cervello" o ALU (Arithmetic-Logic Unit) è piccolissimo, e quasi tutto lo spazio è occupato dalla tastiera.
Come funziona lo schermo di una calcolatrice? Tramite i cosiddetti cristalli liquidi, i quali altro non sono se non fluidi altamente anisotropi che non passano direttamente dallo stato solido a quello liquido, ma in certe condizioni possono esistere al confine fra la fase solida cristallina e quella liquida isotropa (mesofasi): questo "quarto stato della materia" fu scoperto nel 1888 dal chimico austriaco Friedrich Reinitzer (1857-1927). I cosiddetti LCD (Liquid Crystal Display), come quello in figura, sfruttano le proprietà ottiche di determinate molecole organiche che, in presenza di un campo elettrico, si allineano con esso, alterando la polarizzazione della luce in un determinato senso. È così possibile filtrare la luce che passa entro appositi pannelli polarizzati.
Parlando di calcolatrici, era impossibile non nominare le calcolatrici meccaniche, come quest'esemplare conservato presso il Museo Galileo di Firenze, dove è stato fotografato dalla mia allieva Sara Scampini (5 G a.s. 2011/12). Ideato da Ideata da Sir Samuel Morland nel 1664, esso è composto da ruote dentate in grado di trasferire i riporti dall'una all'altra, eseguendo così somme, sottrazioni e moltiplicazioni.
Il naturale sviluppo delle calcolatrici tascabili è costituito dai personal computer; e così, ecco una mia vecchia scheda madre o motherboard, cioè il "cervello pensante" di un computer. Essa alloggia infatti il microprocessore, l'unità logico-aritmetica che esegue materialmente i calcoli, ma anche il bus, cioè l'insieme di tutte le connessioni fra il processore e le periferiche (tastiera, video, stampante...) Insomma, esso rappresenta il "sistema nervoso" del computer. Sono chiaramente visibili in figura anche gli alloggiamenti della memoria RAM, della scheda video e della scheda audio.
Questa invece è una mia vecchia scheda video, necessaria per poter riprodurre sul Pc la grafica, le immagini ed i filmati che oggigiorno hanno teso tanto popolare l'informatica. A questo proposito è bene ricordare che Windows e McIntosh oggi adottano un'interfaccia GUI (Graphical User Interface), cioè grafica: gli "oggetti" sul desktop vengono a rappresentare degli "oggetti" software nelle memorie del Pc (es. l'icona del foglio di carta rappresenta un documento di Word)
Passiamo ad un vero pezzo da museo della storia dell'elettronica: un PET della Commodore (noto anche come CBM2001), che con il mitico Commodore 64 negli anni Settanta fu uno dei primi esempi di Pc costruito in modo tale da poter entrare nelle case di tutti. Sulla destra, in basso, si riconosce una tastiera formata da tasti quadrati e disposti in modo diverso dalle macchine da scrivere (come invece era già per il 64); sulla sinistra, in basso, c'è invece la musicassetta utilizzata allora al posto dei floppy come memoria rimovibile. Lo schermo a fosfori verdi, molto piccolo, ci catapulta in un'atmosfera stile "Spazio 1999"...
Un altro pezzo da museo, ma stavolta esposto al CERN di Ginevra, visitato con la 5 A a.s.2014/15 il 14 ottobre 2014. Si tratta di un IBM 3090, utilizzato tra il 1986 e il 1991 per realizzare simulazioni di esperimenti che avrebbero dovuto essere compiuti con l'acceleratore LEP (vedi l'armadio di Fisica Atomica). Qui è visibile solo un decimo del computer originale; esso produceva così tanto calore, da dover essere raffreddato mediante azoto liquido! Pensate che i moderni Personal Computer sono 20 volte più rapidi, e consumano molta meno energia.
Ed ecco lo spaccato di un Pc di vecchissima concezione, precisamente di un 486: vera archeologia elettronica. Sono chiaramente visibili il disco fisso, la scheda madre (vedi foto soprastante) e gli alloggiamenti per la memoria RAM (la memoria labile del Pc, sulla quale si lavora e che si svuota spegnendolo), a quei tempi assai più ridotta di quella dei modelli attuali, nettamente più veloci e versatili.
La foto in questione mostra l'interno del mio Pc. In alto a sinistra si vede l'alimentatore, che distribuisce la corrente elettrica a tutte le sue parti tramite i sottili cavi gialli, rossi e neri. Sullo sfondo è chiaramente visibile la scheda madre con la ventola necessaria al suo raffreddamento. Sulla destra si intravedono le parti posteriori del masterizzatore (in alto), del lettore DVD (in mezzo) e del disco fisso (in basso). Il nastro grigio rappresenta il bus del computer.
Questa fotografia mostra un disco fisso o Hard Disk (detto anche "disco rigido"), il supporto destinato a conservare in modo permanente i dati e i programmi nel Pc, anche quando esso è spento. Come si vede, esso è costituito da più dischi in alluminio o vetro, rivestiti di materiale ferromagnetico in rapida rotazione, mentre due testine per ogni disco (una per lato) durante la rotazione "volano" alla distanza di poche decine di nanometri dalla superficie del disco, leggendo e scrivendo i dati. La testina è tenuta sollevata dall'aria mossa dalla rotazione stessa dei dischi, che può superare i 15.000 giri al minuto.
La figura mostra un set di memorie rimovibili del computer: si distinguono un vecchissimo floppy disk da 5",25, uno più recente da 3",5 (è stato aperto per mostrare il disco flessibile all'interno), entrambi supporti magnetici, ed un CD-ROM, un supporto ottico. L'era dei floppy disk sta tramontando dopo l'invenzione delle pen-drive tascabili.
La foto qui accanto, inviatami dall'amico ingegnere Sandro Degiani, illustra una tastiera QWERTY per personal computer. Essa fu brevettata nel 1864 da Christopher Sholes (1819-1890) per le macchine da scrivere, e prende il nome dalle prime sei lettere in alto a sinistra. Inizialmente le lettere erano disposte in ordine alfabetico, ma Sholes contò la frequenza delle lettere nella lingua inglese adoperando una normale pagina di quotidiano, e fece in modo che indici e medi battessero le lettere più frequenti, così da evitare inceppamenti. In Germania si usa invece la tastiera QWERTZ e in Francia la AZERTY.
Altra foto digitale che rappresenta in basso lo spaccato di un mouse con tanto di rotellina per lo scroll (cioè per sfogliare più rapidamente i documenti), ed in alto una presa USB, la rivoluzionaria connessione universale che permette di agganciare al computer ben 127 diverse periferiche, e che ha mandato in pensione le vecchie connessioni seriali e parallele, sostituendole entrambe.
Quello in figura è un modem (acronimo di modulator-demodulator), periferica del Pc indispensabile per la connessione ad Internet. Si tratta di una periferica mista, cioè di input e di output contemporaneamente, perchè la si connette alla rete telefonica mediante le uscite visibili sulla destra, ed essa è in grado di trasformare i segnali digitali del computer in segnali telefonici e viceversa, con lo scopo di connettere tra loro due computer molto lontani tra di loro. Nelle versioni più antiche il modem era esterno al Pc, questo va montato internamente ad esso. Ormai si trovano quasi più solo dei modem ADSL.
Qui potete vedere, nello scatto di Marta Milano, il suggestivo interno di una stampante ad aghi. Oggi caduta in disuso per la diffusione delle stampanti a getto e laser, si trattava di un modello in cui la stampa veniva effettuata con una testina dotata di 9 o 27 aghi, che imprimevano sulla carta il colore contenuto in un nastro, secondo il principio della macchina da scrivere.
Questo modellino del Tempio di Bel a Palmira sembra fare a cazzotti con tutte le immagini precedenti; invece conclude benissimo la galleria dei componenti del computer, giacché è stato ottenuto con una stampante 3-D acquistata dalla mia scuola appositamente per fini didattici. Il modellino è stato realizzato per una mostra dedicata a Palmira dagli studenti delle Quinte dopo gli scempi provocati dalla stolta guerra civile in Siria. Nata nel 1986, la stampa tridimensionale è oggi alla portata quasi di tutti, in Italia, grazie al rapido diffondersi di questo tipo di tecnologia.
Chiudiamo questa galleria con il simulog, che come dice il suo nome è una grande piattaforma per la costruzione di dispositivi logici come le porte logiche costruite più sopra, ma anche porte più complesse del tipo NOR, NAND, ecc. Esso comprende un vasto assortimento di componentistica  elettronica, tra i quali è possibile distinguere degli amplificatori operazionali, componenti alla base dell'elettronica moderna. Per esempio con questo simulog è possibile costruire agevolmente un circuito detto flip flop, vale a dire un circuito digitale sequenziale che ha il compito di memorizzare un bit.
Cliccate qui per scaricare alcune schede per realizzare molte delle esperienze di questa galleria
Queste immagini possono essere liberamente utilizzate da chiunque, purché se ne citi la fonte

 

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