Levitazione magnetica tesina

Istituto di istruzione superiore liceo scientifico

“E. Balzan”

La levitazione magnetica

Di Panfilo Luca

5° Ae I.T.I.S. 1

Come si fa a far levitare un oggetto?

Questa è la domanda che mi sono posto all’inizio di questo percorso.

La levitazione, il mantenere sospeso nello spazio un corpo, è uno degli effetti che più affascina le persone. Sembra una cosa inconcepibile da mettere in pratica. Ad esempio sono tanti i prestigiatori che creano questa illusione avvalendosi di trucchi ben camuffati.

Un modo per realizzare questa magia consiste nello sfruttare opportunamente le proprietà di un magnete: se due di loro sono posti vicini con la stessa polarizzazione, ad esempio Nord-Nord o Sud-Sud, essi si respingono; se invece sono posti vicini con una differente polarizzazione (Nord-Sud o viceversa), essi si attraggono.

A questo punto se s’immagina di poter girare centinaia di volte in un secondo la polarità del primo magnete senza cambiare la polarità del secondo, si otterrà che quest’ultimo resterà sospeso nello spazio, condizione nota con il nome di… 2

Indice

• L’elettromagnetismo: cenni storici e principali caratteristiche……….. pag. 4
• Principio di funzionamento dell’esperimento……………………………………….. pag. 5
• Sistemi di controllo: caratteristiche principali…………………………………….. pag. 7
• Sistema di controllo: la levitazione…………………………………………………….. pag. 9
• Il circuito: levitazione……………………………………………………………………….. pag. 10
• Il circuito: illuminazione……………………………………………………………………… pag. 11
• Le reti Wireless: caratteristiche principali…………………………………………….. pag. 15
• The magnetic levitation train……………………………………………………………….. pag. 16

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TDP

Variare la polarità di un magnete permanente mediante movimentazione meccanica comporta notevoli complessità strutturali alle quali si può ovviare con l’elettromagnetismo.

L’elettromagnetismo è la parte della fisica che studia le relazioni tra fenomeni elettrici e fenomeni magnetici e, in particolare, gli effetti magnetici determinati da una corrente elettrica, gli effetti determinati da un campo magnetico su di una corrente elettrica e i fenomeni d’induzione elettromagnetica.

Grazie alla scoperta di Hans Christian Ørsted (1777-1851) sulla generazione di un campo magnetico durante il passaggio di corrente elettrica in un filo, il mondo scientifico internazionale fu messo in subbuglio. Fino alla scoperta di Ørsted (1820) il magnetismo era un curioso fenomeno, noto anche agli antichi greci, legato alla proprietà della magnetite (da cui il nome di magnetismo) di attrarre oggetti ferrosi.

L’unico impiego rilevante del magnetismo fu la bussola magnetica, che divenne un fondamentale strumento di orientamento geografico per la navigazione.

Con la scoperta di Ørsted, gli scienziati cominciarono a collegare i fenomeni magnetici con quelli elettrici. Il primo a dare un contributo significativo in questa direzione fu André Marie Ampère (1775-1836), che nel 1823 verificò ed elaborò le leggi sulle azioni elettrodinamiche della corrente, cioè sull’attrazione o repulsione di conduttori attraversati da corrente.

Il vero artefice della nascita dell’elettromagnetismo fu Michael Faraday (1791-1867), che nel 1839 mise a punto una serie di esperimenti sulle correnti elettriche indotte da un campo magnetico variabile.

Dopo Faraday, altri grandi scienziati diedero importanti apporti a questo settore scientifico, fino a James Clerk Maxwell (1831-1879), che con le sue famose equazioni della teoria elettromagnetica (1864) riuscì a unificare nella teoria elettromagnetica le diverse manifestazioni dell’elettricità e del magnetismo.

Per spiegare meglio che cosa s’intende con elettromagnetismo occorre spiegare cos’è il magnetismo: esso è un particolare stato fisico dei materiali ferrosi, per il quale si manifestano proprietà di attrazione o repulsione reciproca.

Lo spazio in cui operano le forze generate dalla presenza di un magnete è chiamato campo magnetico.

Il flusso magnetico è l’insieme delle linee di forza che attraversano una data superficie del campo magnetico; se una superficie è perpendicolare alle linee di forza, il flusso magnetico è massimo mentre, quando la stessa area si trova in una posizione parallela alle linee di forza, il flusso magnetico è minimo.

L’induzione magnetica è la proprietà di un corpo che si magnetizza quando entra in un campo magnetico.

Magnetismo ed elettricità sono, quindi, due manifestazioni di un’unica forza fondamentale residente negli atomi.

Questo legame profondo tra i due fenomeni fu confermato per la prima volta nel 1820 dalla celebre esperienza di Ørsted, che si può così sintetizzare: un filo percorso da corrente elettrica genera un campo magnetico.

Se il filo è rettilineo, nel campo magnetico generato dalla corrente, le linee di forza sono concentriche e perpendicolari al filo. Il verso delle linee di forza è quello con cui ruota una vite destrorsa che avanza (regola della vite).

Secondo il verso della corrente 4

Se il conduttore è un filo incurvato ad anello (spira), le linee di forza sono più fitte all’interno della spira, in cui pertanto il campo magnetico è più intenso.

Se poi il filo è avvolto in forma di elica cilindrica (bobina o solenoide), l’intensità del campo magnetico è proporzionale all’intensità della corrente e al numero di spire e inversamente proporzionale alla lunghezza della bobina. Pertanto una bobina attraversata da una corrente si comporta come un magnete con asse coincidente con quella della bobina.

L’intensità del campo magnetico in una bobina è rafforzata dall’inserimento di una barra di materiale ferromagnetico. In questo modo si ottengono le elettrocalamite, che ovviamente sono magneti temporanei, cioè tali finché passa corrente nella bobina.

Lo schema di principio della levitazione magnetica realizzata è il seguente:

Ponte

Sensore a effetto di Hall

Elettromagnete

Modulatore

PWM

Sensore a effetto di Hall N

Magnete S 5

L’oggetto da far levitare è un piccolo magnete con una grande forza d’attrazione.

Ciò che ci permetterà di attrarre questo piccolo ma potente magnete è un’elettrocalamita formata da un insieme di spire di filo di rame avvolte su di un cilindro di ferro dolce. Se il solenoide così creato è attraversato da una corrente in un senso esso creerà un campo magnetico Nord-Sud così da attrarre il piccolo oggetto da far levitare. Viceversa se lo stesso solenoide è alimentato con una corrente opposta alla precedente creerà lo stesso campo magnetico ma con polarizzazione opposta (Sud-Nord) che respingerà il piccolo magnete.

V Per fare in modo che il piccolo magnete sia capace di levitare, l’elettromagnete dovrà essere alimentato con un segnale a onda quadra: nel tempo in cui l’elettrocalamita è alimentata con t una tensione negativa, il magnete mobile viene respinto dal campo creato; se viceversa la stessa N elettrocalamita è alimentata con S una tensione positiva, il piccolo magnete viene attirato dal campo creato. Gestendo il tempo in cui il V segnale resta positivo e quello in cui resta negativo si riesce a far levitare il magnete mobile.

È necessario ora capire dove realmente è l’oggetto levitante, o meglio, a quale distanza si trova dall’elettromagnete.

N Per avere una risposta rapida nella S “lettura” di questa distanza si sono adoperati dei sensori a effetto di Hall, dispositivi che, se opportunamente alimentati, forniscono una tensione proporzionale al verso e alla distanza del campo magnetico prodotto dal magnete mobile.