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Un semplice motore elettrico ad avvolgimento

motore

Nel nostro percorso didattico sull’elettricità e il magnetismo, dopo l’esperienza di Oersted, il solenoide e l’elettrocalamita, un passaggio importantissimo è il motore elettrico. Come funziona questa meravigliosa invenzione che ha cambiato il mondo? Un buon modo per capirlo è costruire un motore elettrico. L’attività che vi propongo richiede impegno e precisione ma è più facile di quando si pensi!

Competenze e obiettivi relativi alle attività proposte

Dalle Indicazioni nazionali per il curricolo della scuola dell’infanzia e del primo ciclo d’istruzione del 4 settembre 2012.

  • L’alunno esplora e sperimenta, in laboratorio, lo svolgersi dei più comuni fenomeni, ne immagina e ne verifica le cause; ricerca soluzioni ai problemi, utilizzando le conoscenze acquisite.
  • Sviluppa semplici schematizzazioni e modellizzazioni di fatti e fenomeni ricorrendo, quando è il caso, a misure appropriate e a semplici formalizzazioni.
  • Collega lo sviluppo delle scienze allo sviluppo della storia dell’uomo.

Per la scuola secondaria di primo grado

  • Utilizzare i concetti fisici fondamentali quali: campo magnetico, corrente elettrica, forza di Lorentz, motore elettrico, in varie situazioni di esperienza.
  • Realizzare esperienze in laboratorio.

Per la scuola primaria

  • Cominciare a riconoscere regolarità nei fenomeni.

Per iniziare: che cosa vi serve?

  1. Circa 2 m di filo elettrico da avvolgimenti di diametro 0,60 mm.
  2. Un piccolo ma potente magnete (per esempio un magnete al neodimio).
  3. Nastro isolante.
  4. Circa 1 m di ferro rivestito da una guaina di plastica.
  5. Due viti autofilettanti lunghe circa 2 cm.
  6. Un listello di legno di 3 x 4 x 15 cm.
  7. Una batteria di pile come quella presentata nell’articolo Elettricità sicura per il laboratorio di scienze.
  8. Una tavoletta di legno compensato di circa 50 x 30 cm.
  9. Colla per legno.
  10. Righello, matita, forbici, pinze tonde, pinze piatte, cacciavite, carta abrasiva e un cilindro di diametro 2cm circa.
Cosa vi serve

I principali attrezzi e materiali per realizzare un motore elettrico.

Realizzazione

1. La base

Cominciamo dal fondo: il vostro scopo è quello di realizzare un dispositivo come quello rappresentato nella seguente fotografia. Quando il dispositivo è collegato a una batteria di circa 4,5 V, l‘avvolgimento ruota velocemente sul suo asse.

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Il motore elettrico completo. Manca solo il collegamento alla batteria.

Carteggiate accuratamente il listello di legno.

2. Il rotore

Costruite ora la parte più delicata del motore: il rotore. Cominciate avvolgendo 10 spire di filo attorno a un piccolo oggetto cilindrico. Noi abbiamo scelto un barattolo di colla del diametro di circa 2 cm.

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Per l'avvolgimento si può usare un piccolo contenitore cilindrico.

Unite le spire in modo da formare un anello e bloccatele avvolgendo le estremità del filo attorno all’anello stesso. Lasciate sporgere le estremità verso l’esterno per circa 3 cm. Questa soluzione è facile da realizzare ma ha un difetto: i piccoli avvolgimenti che fermano l’anello creano campi magnetici inutili per il nostro scopo.

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Un esempio di rotore completato. Il righello dà un'idea delle dimensioni.

Personalmente preferisco bloccare l’avvolgimento con alcune strisce sottili di nastro isolante.

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Un tipo di avvolgimento migliore di quello precedente. Per bloccare le spire abbiamo usato tre strisce sottili di nastro isolante.

3. I sostegni del rotore

Preparate due sostegni di filo di ferro come quelli che vedete qui sotto. Il righello centimetrato serve a farsi un’idea delle dimensioni. Le dimensioni sono leggermente variabili: dipendono dal magnete utilizzato e dal diametro dell’avvolgimento.

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I sostegni del rotore. La loro forma permette di fare facilmente piccole correzioni dopo averle montate sulla base.

Fate gli occhielli con la pinza a becchi tondi.

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La pinza a becchi tondi permette di fare occhielli perfetti!

Usate la pinza a becchi piatti per dare la forma alle altre parti del sostegno. Questa sagoma a forma di Z si presta ad apportare piccole correzioni nella fase finale.

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La pinza a becchi piatti permette di sagomare con precisione gli angoli dei sostegni.

4. Montaggio dei sostegni

Fissate i sostegni alla base con due viti autofilettanti. La distanza fra i sostegni deve essere di circa 3,5 cm.

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I sostegni si fissano alla base per mezzo di due viti autofilettanti infilate negli occhielli.

5. Montaggio del magnete

Abbiamo usato un magnete al neodimio di diametro 2 cm e spessore 2 mm, con un foro centrale di diametro 3 mm. Questi piccoli ma potentissimi magneti si possono trovare nei negozi di ferramenta. In alternativa, potete usare qualunque altro magnete purché sia abbastanza potente.

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Cinque piccoli magneti al neodimio. Si possono trovare nei negozi di ferramenta.

Se il magnete ha un piccolo foro, fissatelo con un cavicchio di legno conficcato nella base. Altrimenti trovate un’altra soluzione adatta al magnete che avete usato.

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Il cavicchio di legno aiuta a fissare il magnete forato alla base.

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Il magnete correttamente fissato alla base.

6. Preparazione del rotore

Per far circolare la corrente elettrica nel rotore dovete scoprire le due estremità che formano il suo asse di rotazione. Per scoprire le estremità, usate un po’ di carta abrasiva fine. Attenzione: questa è una fase critica! Un tratto del filo deve essere interamente scoperto. Il tratto opposto deve essere scoperto soltanto per metà nel senso della lunghezza.

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Un particolare importante del motore: bisogna scoprire le estremità del filo in modo opportuno.

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Il filo per avvolgimenti è ricoperto da una vernice isolante e trasparente. Una estremità dell'avvolgimento (1) deve essere scoperta solo a metà. L'altra estremità (2) invece deve essere scoperta completamente.

 

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La figura illustra come "spellare" le due estremità dell'avvolgimento che costituisce il rotore del motore elettrico.

7. Pronti: contatto… via!

Montate il rotore sui sostegni. Fatelo ruotare con un colpetto delle dita e verificate che la rotazione sia fluida. Se necessario, fate qualche correzione alla forma del filo. Collegate i due poli della batteria ai due sostegni. Il motore dovrebbe partire. Se non parte, dategli una piccola spinta. Attenzione: se il motore non funziona bene o tende a fermarsi, provate a invertire la polarità dei contatti o il senso di rotazione del rotore.

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Il motore completato e pronto per partire. Basta soltanto collegare il contatto rosso della batteria, che corrisponde al polo + (positivo).

 

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Il motore in azione. La foto "mossa" dà l'idea del movimento di rotazione.

8. Perché gira?

Osservate la figura.

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Schema di funzionamento del motore elettrico.

a) Nell’esperimento di Oersted, il filo percorso da corrente è fisso mentre il magnete (l’ago della bussola) è mobile. Nel nostro motore elettrico avviene il contrario: il magnete è fisso e l’avvolgimento può ruotare liberamente attorno a un asse.

b) Quando l’avvolgimento è percorso da corrente, genera un campo magnetico e riceve una spinta che dipende dal verso della corrente e dall’orientamento del magnete fisso. Nella figura, tale spinta è rappresentata con due frecce nere.

c) Dopo una rotazione di circa 180°, la corrente elettrica si interrompe perché uno dei due estremi del filo è isolato. L’avvolgimento però continua a ruotare per inerzia fino a quando si trova nuovamente nella situazione del punto b).

c) Il ciclo si ripete fino a quando stacchiamo la corrente.

La forza che spinge un filo percorso da corrente elettrica immerso in un campo magnetico si chiama forza di Lorentz, in onore del fisico olandese Hendrik Lorentz.

Per approfondire

Potete trovare un’animazione del motore elettrico nel WEB-LAB (http://ww2.unime.it/weblab/), il laboratorio virtuale di Fisica dell’università di Messina.

L’animazione del motore si trova al seguente indirizzo: http://www.walter-fendt.de/ph14i/electricmotor_i.htm

Per vedere le animazioni è necessario avere installato nel proprio computer il software gratuito Java. Potete scaricarlo al seguente indirizzo: http://www.java.com/it/

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bussola

La bussola di Oersted

Con una bussola, una batteria e un filo di rame possiamo dimostrare che una corrente elettrica genera un campo magnetico intorno a sé.

There are 29 comments. Add Yours.

rocco —

CHIARO E QUINDI COMPRENSIBILE. BRAVO.

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Gianfranco Bo

Rocco, ti ringrazio per l’apprezzamento.
Questo motore fa parte di una serie di esperimenti sull’elettricità e il magnetismo che si possono far realizzare ai ragazzi di terza media (secondaria di primo grado).

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Giovanni Polì —

Informazione: le volevo chiedere, se questi prodotti si possono trovare nei negozzi di ferramenta da qualche parte. mi sarebbe stato più semplice per la scelta! anche per farmi un’idea per lo spazio dove applicarli. soprattutto per il momento vorrei fare degli esperimenti. dopo vorri costruirmi con calamite adeguate un motore per collegarlo ad un generatore da 5 KV Am. grazie distinti saluti.

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    Alessandro M.

    Ciao Giovanni, come vedi nell’esperimento proposto si utilizzano materiali “poveri” e molto semplici da recuperare nei negozi di ferramenta. Puoi trovarli anche online, soprattutto i magneti al neodimio, a proposito dei quali puoi anche leggere questo post.
    Sulla questione più tecnica… lascio la parola a chi ne sa più di me…

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    Gianfranco Bo

    Giovanni, in breve:
    a) negozio di bricolage o fai da te: listello di legno, viti, filo di ferro e attrezzi;
    b) ferramenta ben fornito: magneti al neodimio;
    c) negozio di elettronica: filo per avvolgimenti, batterie, porta-batterie e altro materiale elettrico.
    Non ho capito bene cosa intendi quando scrivi “collegarlo ad un generatore da 5 KV Am”

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walter pesce —

veramente ottimo il servizio complimenti perla semplicita di svolgimento dell argomento

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Mattia —

E’ più volte che provo a farlo, ma non mi riesce! Non so dove sbaglio! Con il tester noto che sul filo di rame non passa tensione, per quale motivo?

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    Alessandro M.

    @Mattia Una delle fasi più delicate è la 6. Hai “spellato” con attenzione le estremità del conduttore? Una deve essere completamente e una deve essere spellata solo parzialmente. Se applichi il tester agli estremi dei due sostegni collegati al generatore, invece, c’è passaggio di corrente?

    Reply »

Anonimo —

Sono uno studente di quinto liceo scientifico e il mio insegnante vuole che prepariamo un’esperienza di laboratorio da proporre alla classe. Questa esperienza mi sembra molto interessante, ma se è possibile vorrei dei chiarimenti… Non capisco come il motore contnui a girare quando il piano della spira diventa perpendicolare al campo magnetico senza la presenza dei contatti striscianti… Grazie

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    Gianfranco Bo

    La spira continua a girare per inerzia.
    In pratica la spira fa mezzo giro perché spinta dal campo magnetico e l’altro mezzo giro per inerzia. E così via.
    Vedi anche la risposta alla domanda successiva, di Michele.

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Michele —

Perchè uno dei 2 fili di rame deve essere scoperto solo parzialmente?

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    Gianfranco Bo

    Michele,
    la spira (o avvolgimento) non deve essere SEMPRE attraversata dalla corrente elettrica continua della pila.
    Infatti, se così fosse, essa si trasformerebbe in un magnete permanente e invece di ruotare, si fermerebbe in una posizione perpendicolare al campo magnetico.
    Inoltre si formerebbe un corto circuito molto pericoloso perché farebbe innalzare notevolmente la temperatura del filo di rame e delle pile.
    Il motore gira proprio perché la spira è attraversata da corrente solo quando è nella posizione giusta per sfruttare opportunamente la forza di Lorentz, cioè quando è in posizione verticale.
    Per ottenere questo risultato si scopre solo parzialmente un capo del filo. In questo modo si ottiene una specie di interruttore automatico che apre e chiude il circuito nei momenti giusti mentre il motore gira.
    Nei motori a corrente continua questa funzione è realizzata, in maniera più complessa, dalle spazzole e dal collettore.

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Giacomo —

Ciao stavo provando a costruire questo piccolo motore elettrico per poterlo portare tra qualche giorno all’esame. Dopo aver montato tutto ho deciso di fare una prova…ho notato un paio di cose: per ora solo una volta il rotore ha continuato a muoversi facendo più giri nello stesso verso, mentre le altre faceva circa metà giro e si fermava o comunque si muoveva oscillando però senza compiere giri completi. Poi ho notato che le pile si scaldano molto…sapresti darmi delle risposte ai miei dubbi e magari darmi qualche consiglio affinché funzioni più spesso??? Grazie

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    Gianfranco Bo

    Ciao Giacomo, allora… comincio dalla seconda domanda.
    Se vedi che la bobina, alimentata dalle pile, rimane ferma oppure oscilla senza compiere giri completi, devi scollegare immediatamente le pile! Infatti, in questo caso l’avvolgimento forma praticamente un corto circuito che fa surriscaldare tutto il sistema, comprese le pile.
    Passiamo alla prima domanda.
    Hai scritto: “per ora solo una volta il rotore ha continuato a muoversi facendo più giri nello stesso verso, mentre le altre faceva circa metà giro e si fermava o comunque si muoveva oscillando però senza compiere giri completi.”
    Diversi dei miei alunni hanno costruito questo motore e il fenomeno che hai descritto si è verificato alcune volte, soprattutto ai primi tentativi.
    Il motore, se è costruito con precisione, gira velocemente e in modo fluido senza mai fermarsi.
    Quali sono i punti critici da verificare?
    a) Il più importante è il punto 6. Preparazione del rotore: devi scoprire le estremità del filo elettrico come descritto (una per intero e l’altra a metà).
    b) La calamita deve essere abbastanza potente e deve avere uno dei due poli rivolto verso l’alto e l’altro polo rivolto verso il basso (vedi il punto 8).

    Se una bobina proprio non funziona, prova a costruirne un’altra. Con l’esperienza le cose si fanno sempre meglio.
    Complimenti per aver scelto di portare un esperimento all’esame (invece che una semplice relazione) e in bocca al lupo!

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      Giacomo —

      Scusa se ti disturbo nuovamente, le cose sono migliorate un po’ ma non abbastanza da evitare una figuraccia all’esame :) diciamo che è sorto un piccolo problema, credo, quando collego il tutto certe volte escono delle scintille dove il rotore tocca il supporto…perché??? Potrebbe essere qui il problema??? Grazie e a presto

      Reply »

        Gianfranco Bo

        Se il rotore gira regolarmente, la formazione di scintille è un fenomeno che DEVE avvenire e significa che tutto sta andando per il meglio. Infatti le scintille si formano quand il circuito si apre o si chiude.
        Le scintille sono dovute all’autoinduzione, un fenomeno scoperto dal fisico americano Joseph Henry nel 1830 (circa).
        Henry scopry questo fenomeno quando, collegando un lungo avvolgimento a una batteria vide comparire una grossa scintilla elettrica.
        Vedi: Dorf, Svoboda, Circuiti elettrici, Apogeo, pag 255 (lo puoi consultare liberamente su Google books)
        Se vuoi, puoi parlare anche di questo all’esame. Ma ormai c’è davvero poco tempo.
        Ciao.

        Reply »

lorenzo fabiano —

ciao io sono un ragazzo di 16 anni appassionato di questo genere di cose.
una domanda che mi sono sempre fatto dalle mie esperienze con questi esperimenti e guardando innumerevoli video su youtube(mai abbastanza convincenti per me) è: ma è possibile secondo lei creare con dei semplici magneti abbastanza potenti dei campi magnetici strutturati in modo tale da far girare un rotore (senza ausilio di elettrocalamite che si accendano ad intermittenza), collegato ad un motorino elettrico–da cui ricavare eletttricità?
grazie,ciao

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    lorenzo fabiano —

    mi chiedevo anche se conosce una formula che descriva come ottenere il massimo potenziale da una bobina (numero di spire, diametro delle spire,densità delle spire e spessore del filo)

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    Alessandro M.

    Ciao Lorenzo,
    in attesa della risposta dell’autore provo a darti qualche informazione.
    Se capisco bene la tua prima domanda vorresti costruire una macchina che trasformi il movimento (energia meccanica) in elettricità. In pratica vuoi costruire un alternatore, che è in parole semplici, l’opposto di un motore elettrico che invece trasforma energia elettrica in energia meccanica (movimento).
    Entrambi gli apparecchi sfruttano il fenomeno fisico dell’induzione elettromagnetica.
    Prova a pensare alla dinamo di una bicicletta: una serie di avvolgimenti di rame (nel rotore) è circondata da una coppia di magneti permanenti (nello statore). Quando le spire ruotano (grazie al movimento dell’asse collegato alla ruota della bicicletta) cambiano continuamente la propria angolazione rispetto ai magneti: è proprio il cambiamento dell’angolo (e quindi la creazione di un campo magnetico variabile) che causa lo spostamento di cariche elettriche nella spira.
    Quindi no, non è possibile che magneti permanenti fissi, per quanto potenti, possano indurre un campo magnetico variabile che faccia muovere il rotore in modo continuo. Devi per forza far girare il rotore con l’energia meccanica (fornita da un’elica, da una ruota, da un mulino, dalle tue mani) e trasformare questa energia in elettricità.

    Reply »

lorenzo fabiano —

per farti un’idea… questo potrebbe essere possibile ?? secondo me potrebbe funzionare, l’unico problema è che potrebbe trovare un punto di equilibrio ma se si mettono più pistoni sfalzati dovrebbe essere praticamente impossibile trovare un punto di equilibrio tra i vari campi magnetici…
https://www.youtube.com/watch?v=Q3jvOnbt3E0

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    Alessandro M.

    Francamente no, non può funzionare. Anche se tale macchina potesse avviarsi (e mi risulta difficile capirne la logica) un suo funzionamento violerebbe il primo principio della termodinamica.

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Anonimo —

mi piace!!!!!!!!!!!!!!!!!

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Anonimo —

davvero bellissimo, ma una cosa puoi spiegare un po’ più approfonditamente perché la bobina gira?

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    Gianfranco Bo

    Speravo di averlo spiegato nel punto 8, ma evidentemente non è bastato. Cercherò di approfondire la spiegazione il più presto possibile (nelle prossime settimane).
    Però non chiedermi di spiegare i misteri della Legge di Lorentz: quella la prendo per buona così com’è!

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michele —

bravi bel sito
grazie
mike

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Anonimo —

Ottimo progetto per l’esame di terza media!!! Grazie, mi sto cimendando nel crearlo

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Domenico —

bel progetto! l’abbiamo realizzato e gira molto bene. abbiamo pensato anche di mettere all’estremità dei collettori 2 dischi di newton…abbiamo misurato un assorbimento di corrente tra 0,8 – 1,2 ampere…ti torna? ciao, grazie d.

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