La delegazione italiana a Science on Stage 2

Verifichiamo la quarta equazione di Maxwell

Riassunto

Insegnare elettromagnetismo è talvolta difficile. Nonostante al giorno d'oggi sia possibile realizzare molti esperimenti finalizzati a verificare numerose leggi, è difficile mostrare che un campo magnetico variabile genera un campo elettrico. Desideriamo colmare questa lacuna realizzando un semplice esperimento che evidenzi il fenomeno. Il cuore del sistema è un grosso condensatore piano con armature circolari separate da un dielettrico di polistirolo. Applicando una tensione sinusoidale a media frequenza (qualche megahertz), si confronta il campo magnetico presente in prossimità del dielettrico con quello generato dagli elettrodi collegati al condensatore (alla stessa distanza dall'asse del sistema), mostrando che l'ampiezza non varia, in accordo con il concetto di corrente di spostamento. Per la comprensione dell'esperimento è necessaria la conoscenza di altri fenomeni elettromagnetici (es: legge di Biot-Savart e del'induzione di Faraday) che sono reintrodotti tramite un insieme di esperienze propedeutiche più classiche. Queste attività sperimentali sono state proposte agli studenti di un liceo scientifico. Dalle verifiche è emersa una buona comprensione del concetto di corrente di spostamento.

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Descrizione

L'insegnamento dell'elettromagnetismo è supportato da numerosi esperimenti, tuttavia è difficile mostrare che un campo elettrico variabile genera un campo magnetico.

Obiettivi

• realizzare un esperimento che evidenzi come un campo elettrico variabile genera un campo magnetico;
• introdurre l'esperimento con un breve insieme propedeutico di prove finalizzate a richiamare i fenomeni elettrici e magnetici più comuni.

Esperimenti propedeutici

• Il campo magnetico generato da una corrente elettrica continua:
  • l'ago di una bussola lo rivela;
  • agli estremi di un solenoide non di rivela alcun fenomeno di induzione.
• Gli effetti magnetici associati a una corrente elettrica che varia nel tempo (nella forma di transitori): agli estremi di un solenoide si rivelano impulsi di tensione.
• Gli effetti magnetici associati a una corrente elettrica sinusoidale: l'ampiezza della tensione indotta è proporzionale all'ampiezza della corrente e alla frequenza.

Gli effetti di un campo elettrico variabile nel tempo

È stata realizzata una struttura a simmetria cilindrica finalizzata a mostrare:

• che il campo magnetico in prossimità di un condensatore piano attraversato da una corrente di spostamento I(t) è uguale al campo generato dalla stessa corrente di conduzione che attraversa un segmento verticale;
• che il campo magnetico si indebolisce se il condensatore è sostituito da una derivazione che permette di simulare l'assenza di campo magnetico generato dal dielettrico.