Come aumentare la forza di un elettromagnete

Gli elettromagneti funzionano altrettanto bene dei magneti permanenti. In effetti, sono ancora più utili, perché puoi accenderli e spegnerli. Troverai elettromagneti in dischi rigidi, altoparlanti e persino in apparecchiature sofisticate come le macchine per la risonanza magnetica e il Large Hadron Collider del CERN a Ginevra, in Svizzera. Ovviamente hai bisogno di un elettromagnete più forte per un collisore di particelle di quello che serve per un altoparlante, quindi come fanno gli scienziati a creare magneti abbastanza potenti da focalizzare un raggio di elettroni? La risposta è un po' più complicata che semplicemente renderli più grandi, anche se questo ne fa parte. I materiali che usi, la tensione che applichi e la temperatura ambiente sono tutti importanti.

TL; DR (troppo lungo; non ho letto)

Per aumentare la forza di un elettromagnete, puoi aumentare la corrente di forza e ci sono diversi modi per farlo. Puoi anche aumentare il numero di avvolgimenti, abbassare la temperatura ambiente o sostituire il tuo nucleo non magnetico con un materiale ferromagnetico.

Lo scienziato danese Hans Christian Orsted è stato il primo a notare che una corrente che attraversa un filo può influenzare una bussola vicina. In altre parole, genera un campo magnetico. Se avvolgi il filo attorno a un nucleo, formando quello che viene chiamato un solenoide, le estremità del nucleo assumeranno polarità opposte, proprio come un magnete permanente. L'intensità del campo dipende dall'entità della corrente, dal numero di avvolgimenti e dal materiale del nucleo. Questo è tutto ciò che devi ricordare se vuoi rendere il magnete più forte.

Secondo la legge di Ampère, il campo magnetico attorno a un filo percorso da corrente è direttamente proporzionale alla forza della corrente. In altre parole, aumenta l'intensità della corrente e aumenta il campo magnetico, e c'è più di un modo per farlo:

• Aumenta la tensione: La legge di Ohm ti dice che la corrente è proporzionale alla tensione, quindi se stai facendo funzionare il tuo elettromagnete con una batteria da 6 volt, passa a una da 12 volt. Tuttavia, non è possibile continuare ad aumentare la tensione all'infinito, poiché la resistenza del filo aumenta con la temperatura fino a quando non viene raggiunta una corrente limite. Questo ti porta alla prossima opzione.

• Abbassare il calibro del filo: La resistenza del filo diminuisce con l'aumentare dell'area della sezione trasversale, quindi ridurre la sezione del filo. Tieni presente che ridurre il calibro è sinonimo di aumentare lo spessore del filo. Se hai avvolto il tuo solenoide con un filo di calibro 16, sostituiscilo con un calibro 14 e il magnete sarà più forte.

• Abbassa la temperatura: La resistenza aumenta con la temperatura, quindi se riesci a mantenere il magnete al di sotto dello zero temperature, sarà più forte di uno a temperatura ambiente, anche se la differenza probabilmente non lo farà essere molto. A temperature estremamente basse, invece, la resistenza quasi scompare e i fili diventano superconduttori. Questo fatto consente agli scienziati di progettare magneti super potenti, come quelli del CERN.

• Usa filo con alta conduttività: Puoi anche aumentare la corrente passando a un filo con una conduttività più elevata. Il filo di rame è probabilmente il filo più conduttivo che puoi usare, ma il filo d'argento è ancora più conduttivo. Passa al filo d'argento, se te lo puoi permettere, e avrai un magnete più forte.
  

La forza di un elettromagnete, nota anche come forza magnetomotrice (mmf), è direttamente proporzionale non solo alla corrente (I), ma anche al numero di avvolgimenti (n) attorno al solenoide. Aumentare il numero di avvolgimenti è probabilmente il modo più semplice per aumentare la forza di un elettromagnete. Poiché mmf = nI, raddoppiando il numero di avvolgimenti si raddoppia la forza del magnete. Va bene avvolgere i fili a strati attorno al nucleo del solenoide. Il campo magnetico non è influenzato quando i fili sono in contatto tra loro.

Se vuoi, puoi creare un elettromagnete avvolgendo i fili attorno a un rotolo di carta assorbente usato, ma se vuoi un magnete forte, avvolgili invece attorno a un nucleo di ferro. Il ferro è un materiale magnetico e si magnetizza quando si accende la corrente. Questo ti dà, in effetti, due magneti al prezzo di uno. L'acciaio contiene ferro, quindi si comporterà allo stesso modo, anche se non così fortemente. Altri due metalli ferromagnetici che potresti incontrare sono il nichel e il cobalto.