Il motorino elettrico
La costruzione di un motorino elettrico è un esperimento bello ad ogni età, e pertanto molto utile nella didattica della scienza.
In un precedente articolo [LINK] abbiamo illustrato ciò con due esempi.
(1) Quando aveva tra i dieci e i dodici anni il giovane Enrico Fermi costruiva motorini elettrici col fratello. Così raccontano nelle loro biografie la moglie Laura e l'allievo e premio Nobel Emilio Segrè [LINK-Antologia], che descrive molto dettagliatamente la formazione del maestro. Un secolo fa la costruzione di motorini elettrici era molto diffusa tra i ragazzini, e ancora oggi essi si appassionano molto a queste attività.
(2) Diversi insegnanti al MIT (Wit Busza e Viki Weisskopf negli anni settanta, Walter Lewin di recente) propongono agli studenti universitari del secondo anno la “gara del motorino elettrico”. Ogni studente costruisce, calibra, misura un motorino elettrico e riceve un certo numero di crediti (proporzionale ai giri al minuto del motorino) ed eventualmente un premio.
In questo articolo che accompagna il video sulla costruzione di due motorini elettrici, raccontiamo i “primi passi” del motore elettrico, e discutiamo il principio di funzionamento, la tecnologia, e alcuni suggerimenti per la didattica.
In questa scheda trovate le istruzioni per gli esperimenti mostrati nel video di seguito.
Tante persone al lavoro contemporaneamente
Spesso la storia della scienza e della tecnologia non ci presenta il ricercatore solitario, ma tante persone al lavoro contemporaneamente. È un po' quello che succede in classe quando tutti gli studenti sono impegnati nella costruzione dei motorini.
Per esempio, nel 1820 lo scienziato francese André-Marie Ampère costruisce le prime bobine che percorse dalla corrente elettrica si comportano come calamite. Nel 1825 l'inglese William Sturgeon avvolge la bobina intorno ad un pezzo di ferro, aumentandone così gli effetti e sollevando un pezzo di ferro di cinque chili. Nel 1828 costruisce un motore elettrico.
In quei pochi anni diversi ricercatori costruiscono i primi semplici motori elettrici. Il primo è Faraday, nel 1821. Le chiama “rotazioni elettromagnetiche”. Si tratta di due bicchieri contenenti mercurio: in uno un magnete ruota intorno a un filo percorso da corrente, nell'altro il filo percorso da corrente ruota intorno al magnete.
Nel 1822 l'inglese Peter Barlow costruisce la “ruota di Barlow”, dalla caratteristica forma di stella. Nel 1827 l'abate ungherese Jedlik costruisce diversi motorini elettromagnetici, tra cui una macchinina mossa da uno di questi. Si tratta di oggetti utili come dimostrazioni, “giocattoli filosofici” (oggi diremmo giocattoli scientifici) che illustrano un effetto, una legge.
Non si tratta certamente di motori veramente utili per costruire ventilatori, trapani, treni, automobili, lavatrici e tanti altri marchingegni cui siamo abituati o che ancora sogniamo...
Motori di questo tipo cominceranno a essere sviluppati nel decennio successivo: la tecnologia degli anni 1830 vede infatti il motore di Jacobi, che muove una barca con una trentina di persone a bordo, le prime macchine elettriche e le locomotive. Tuttavia i primi motori elettrici davvero efficienti, e con essi l'industria elettromagnetica, emergeranno dalla dinamo costruita dal tedesco Werner Siemens nel 1856, non da questi primi modelli.
I primi modelli rimangono però utili, come motori da costruire con materiali semplici, che si prestano a innumerevoli variazioni e miglioramenti, e incorporano e mostrano molto chiaramente i propri principi di funzionamento, come pure i propri limiti. Lavorare alla costruzione dei motorini elettrici vuol dire anche lavorare al loro continuo miglioramento.
dai principi di funzionamento al continuo miglioramento
Il motorino elettrico è composto da tre parti:
- una calamita
- un avvolgimento
- una sorgente di corrente elettrica
Nel caso del motorino a bobina queste tre componenti sono evidenti, nel caso del motorino omopolare l'avvolgimento è costituito dall'anello che la corrente elettrica percorre, formato da pila – filo elettrico – calamita – vite.
Sfruttando l'analogia tra una calamita e una bobina percorsa da corrente (elettromagnete), il motorino diventa un oggetto dove una calamita ne spinge continuamente un'altra, generando così un moto rotatorio che si esaurisce quando la pila si scarica.
La “magia” del motorino è quindi la conservazione dell'energia, e con questi oggetti si può ben lavorare anche nella scuola primaria, come dettagliato in questa scheda. [LINK]
Il motorino elettrico è appropriato per le classi terze medie, nelle ore di tecnologia. Si può affidare a ogni studente la costruzione del un motorino, oltre ai disegni e alle descrizioni che ne mostrano il funzionamento.
Nella classe si crea una atmosfera operosa, anche con un certo sano agonismo a far bene il proprio motorino, come raccontato in questa scheda [LINK].
La costruzione del motorino diventa nella scuola superiore un'attività da laboratorio di fisica. Ogni grandezza, dalle correnti elettriche al diametro delle spire, può venire misurata e coordinata nella teoria. Le performance del motorino (numero di giri, momento torcente) possono essere quantificate con precisione.
Anche la spiegazione teorica si arricchisce delle equazioni di Maxwell e della forza di Lorentz, come dettagliato in questa scheda. [LINK]
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Nelle diverse classi si ricrea così il fenomeno di “tante persone al lavoro contemporaneamente”, che lavorano, provano, si consigliano, producono, imparano, inventano...
