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04.02 MAGNETE FLUIDO

Il ferrofluido è un liquido composto da miliardi di nano-particelle di minerale ferrosi (diametro dell'ordine del centomilionesimo di metro) sospese in un fluido, molto spesso olio minerale oppure acqua.

Il ferrofluido reagisce ai campi magnetici esterni e quindi si comporta come "magnete liquido", deformandosi e disponendosi lungo le linee di forza magnetiche. Il risultato è una bellissima "scultura" semovente.

Anche se il nome suggerirebbe il contrario, le particelle del ferrofluido non esercitano un ferromagnetismo, bensì un paramagnetismo. Infatti, il ferrofluido non presenta magnetizzazione in assenza di un campo applicato esternamente.

Le nano-particelle magnetiche sono rivestite di un tensioattivo per prevenire la loro agglomerazione; il ferrofluido può essere quindi paragonato a un'emulsione, come il latte, o essere descritto come sostanza colloidale, ovvero un materiale che possiede caratteristiche di più stati della materia.

Grazie a questa duplice natura, il ferrofluido ha molte applicazione commerciali. Per esempio, l'abilità di cambiare fase in presenza di campo magnetico lo rende ideale per essere utilizzato come lubrificante nei sistemi meccanici come gli altoparlanti o gli ammortizzatori. I ferrofluidi sono anche usati per formare dei sigilli liquidi attorno agli assi di rotazione degli hard disk e similarmente in altre situazioni in cui occorre un'azione sigillante. Possiedono inoltre caratteristiche di riduzione dell'attrito; se applicati sulla superficie di un magnete sufficientemente potente, come uno fatto in neodimio, esso può planare su superfici lisce con una resistenza minima.

04.03 FULMINI IN BOTTIGLIA

L'elevato campo elettrico combinato alla bassa pressione dei gas inerti all'interno del tubo fa sprigionare scariche elettriche che assumono una forma molto lunga a “filamento” e sono costituiti da plasma, ovvero gas ionizzato.

Il passaggio di corrente avviene tra un elettrodo centrale, a cui è applicata una tensione elevata, e il vetro che invece è scarico. L'atmosfera interna rarefatta non offre resistenza al passaggio della corrente ed è composta da una miscela di diversi gas tra cui mercurio, elio, neon, argon, kripton e xenon. Le differenze nella composizione chimica determinano il colore dei filamenti. Quando si toccano i tubi, il corpo umano funge quasi come da terra creando una via preferenziale alla scarica. Per questo motivo si crea un unico filamento di plasma visibilmente più potente della normale.

Il plasma è gas ionizzato e ha proprietà tanto uniche da essere considerato il quarto stato della materia dopo il solido, il liquido e l'aeriforme. Il plasma si crea scaldando un gas o sottoponendolo a un forte campo elettromagnetico. In questo modo si ottiene un significativo numero di cariche elettriche sia positive (ioni) che negative (elettroni) libere di muoversi. Per questo motivo il plasma è conduttore elettrico ed è sensibile alla presenza di campi magnetici. Mentre sulla Terra la sua presenza è vincolata solo ad alcuni fenomeni atmosferici (fulmini e aurore polari), nell'Universo è piuttosto diffuso: tutte le stelle sono infatti costituite da plasma.

Il primo dispositivo elettrico simile comparve alla fine del XIX secolo ad opera di Nikola Tesla, nel corso delle sue sperimentazione sulle correnti elettriche.

04.04 PEDALATA ENERGETICA

La rotazione dei pedali produce corrente elettrica, visualizzata dall'animazione grafica, per il principio base dell’elettromagnetismo: campi elettrici e campi magnetici sono due facce della stessa medaglia e sono fortemente correlati.

I pedali, infatti, fanno muovere una spira conduttrice all'interno di un campo magnetico e induce elettricità. Più velocemente si muove, maggiore sarà la corrente prodotta. E' praticamente una dinamo!

Tale fenomeno è chiamato induzione elettromagnetica e viene descritto dalla legge di Faraday, in onore del grande fisico che la scoprì nel XIX secolo. L’induzione elettromagnetica, che non necessita contatto fisico tra le parti, si verifica quando il flusso del campo magnetico attraverso la superficie delimitata da un circuito elettrico è variabile nel tempo. Per questo appena si ferma la manovella, si ferma anche la produzione di corrente.

04.05 SFERA ELETTRIZZANTE

La macchina di questo exhibit si chiama generatore di Van der Graaff ed è un generatore elettrostatico in grado di accumulare la quantità di carica elettrica nella sfera di metallo più grande sul basamento. Tra questa sfera e quella più piccola vicino, che invece è a contatto con il suolo, si crea un'altissima tensione, anche di migliaia di Volt, tale da provocare un'improvvisa scarica in modo analogo alla creazione dei fulmini.

L'altissima tensione non deve, tuttavia, preoccupare: in realtà l'intensità della corrente in gioco è piccolissima e quindi non pericolosa. Se, però si avvicina al conduttore un dito, il nostro corpo fa da ponte esattamente come la sfera conduttrice sopracitata e si produce la classica, e un po' dolorosa, scossa elettrica.

La macchina si basa sul un principio base dell'elettrostatica: la carica elettrica in un conduttore tende a disporsi sulla sua superficie (questo perché essendo dello stesso segno, le singole cariche elettriche tenderanno a respingersi e a disporsi il più lontano possibile tra loro). Ne consegue che all'interno del conduttore, anche cavo, il campo elettrico è nullo. In questo modo un corpo all'interno di un conduttore cavo sarà schermato da eventuali campi elettrici esterni. Tale protezione prende il nome di gabbia di Faraday; il nome gabbia fa capire che il conduttore può avere anche dei buchi, proprio come una griglia o una gabbia. Si stima che, in media, un aereo passeggeri sia colpito da un fulmine almeno una volta all’anno mentre è involo. Nonostante il campo elettrico nella zona intorno al fulmine sia molto intenso, ai passeggeri non succede niente perché le ali e la fusoliera dell'aereo fungono da gabbia di Faraday.

Con il generatore di Van der Graaff si possono ottenere diversi effetti divertenti. Per esempio, appoggiando la mano sulla sfera principale e caricandola successivamente, miliardi di innocui elettroni percorrono il tuo corpo, raggiungendo la punta dei capelli. Siccome hanno tutti carica elettrica negativa e due cariche di segno uguale si respingono, le punte dei capelli tendono a divergere, i capelli si allontanano e si sollevano. Ed è un po' quello che succede ai fili di lana del “feticcio” a fianco della sfera principale o quello che ci succede in una giornata di forte vento.

Un altro esempio simpatico è rappresentato da una pila di coppette di alluminio messe a contatto della parte superiore della sfera conduttrice prima di caricarla elettricamente: accumulandosi cariche di segno uguale anche sulle coppette, esse si respingono e cominciano a volare via.

L'efficienza di questa macchina elettrostatica dipende dalle condizioni ambientali: più è umido e più l'aria disperde in fretta le cariche diminuendo la capacità di ottenere scariche intense.

04.01 FRENO MAGNETICO

I tubi sono fatti di materiali differenti - legno, rame, ottone e bronzo – che non attraggono i magneti.

Il rallentamento del magnete nei tre tubi di metallo è causato da fenomeni elettromagnetici. Infatti, il moto del magnete genera la circolazione di elettroni nel conduttore per un fenomeno chiamato induzione elettromagnetica. La corrente elettrica così prodotta, chiamata corrente parassita, crea, a sua volta, un campo magnetico in direzione opposta a quello del magnete stesso che ne rallenta la caduta. Questo fenomeno è descritto dalla legge di Lenz.

Se il materiale è isolante non si produce alcuna corrente indotta. Al contrario, migliore è il conduttore elettrico, maggiore è l’effetto del freno magnetico!

Come i freni tradizionali, un freno magnetico è un dispositivo utilizzato per rallentare un oggetto in moto, come un treno o un veicolo di una attrazione per parchi di divertimento. A differenza di un freno normale è esente da usura perché non utilizza parti a contatto.