Designing and building Helmholtz coils: cooperative and learning by doing V. Abiuso 1, D. Peddis 2,3, G. Righini 2, L. Gioffrè 1, L. Tamburro 1, G. Moscatelli 1, L. Pirri 1, M. Ghergut 1 and G. Varvaro 2 1 Liceo Scientifico Statale “Giuseppe Peano”Via della Fonte, 9 – Monterotondo (RM) 2 Istituto di Struttura della Materia - CNR, Monterotondo Scalo (RM), Italy 3 Comitato Scienza Societa Scienza. Via Alghero Cagliari

Nascita dell’idea Progetto Nanoscienze e nanomateriali magnetici Attività sperimentale: “alberelli magnetici” preparazione di MeFe 2 O 4 (Me= Fe 3+, Co 2+, Ni 2+ ) nanocristallino mediante sol gel di autocombustione Esigenza realizzare un dispositivo che generi un campo magnetico uniforme in cui studiare la crescita degli “alberelli magnetici” Scelta progettuale: bobina di Helmholtz

Il gruppo  Supervisione tecnico-scientifica : D. Peddis e G. Varvaro (CNR-ISM)  Coordinatore didattico : V. Abiuso (Liceo G. Peano – Monterotondo)  Consulenza tecnico-informatica : G. Righini (CNR - ISM) per la piattaforma Moodle  Consulenza tecnica : tecnici dei laboratori di Fisica, Scienze e Informatica del Liceo G. Peano, un tecnico del CNR-ISM  Gruppo misto di alunni :  3 alunni del 5° partecipano alle fasi di formazione e avvio del progetto aiutando gli alunni del 4° ad acquisire le competenze di base necessarie in elettromagnetismo  2 alunni del 4° partecipano a tutte le fasi del progetto. Saranno gli “esperti” del gruppo che si formerà l’anno successivo per l’assemblaggio e il testing dell’apparecchiatura.

Schema di processo  Formazione e motivazione del gruppo (marzo 2015) – alunni 4° e 5° anno  Lavoro di ricerca (aprile 2015) – alunni 4° e 5° anno  Stesura del progetto e ricerca dei materiali (maggio 2015) – alunni 4°  Revisione del progetto (giugno 2015) – alunni 4°  Prossime fasi: (ottobre – dicembre 2015): assemblaggio bobine, test di funzionamento, misure e mappatura campo

Modalità di lavoro Sessioni In presenza  Laboratorio  Riunioni di gruppo A distanza  Moodle: wiki e documentazione  Mailing list  Social network (Facebook e Wathsup)  Skype Revisione e confronto  tra pari  con i supervisori e il coordinatore Strumenti Documentazione  Ricerche personali in rete  Documentazione fornita dal CNR-ISM e libri di testo Elaborazione  Wiki sulla piattaforma Moodle  Software di calcolo (excell, libreoffice calc) editing (word, powerpoint, libreoffice writer) progettazione (Sketch up)  Non sono stati utilizzati software di simulazione numerica

Vincoli progettuali  Distanza uguale al raggio  Bobine circolari  Spessore delle bobine L << R → L ≤ R/5  Disposizione regolare e simmetrica degli avvolgimenti  Tensione continua (semplicità progettuale)  Struttura di supporto in materiali diamagnetici

Stima dell’intensità di B Campo magnetico terrestre (dati INGV) 2*10 -4 T < B T < 7*10 -4 T Richiesta B x > B T Obiettivo B x = 1*10 -2 T Dati N: numero di avvolgimenti su una bobina R: raggio delle bobine e loro distanza I: intensità di corrente μ 0 : permeabilità magnetica del vuoto

Dimensionamento dell’apparato  Dimensioni del becker in uso R base = 5 cm h = 10 cm  Raggio delle bobine (e loro distanza) non troppo grande : inversamente proporzionale a B non troppo piccolo: dimensioni becker  Intensità di corrente Alimentatore disponibile: 0 < I < 10 A  Scelte progettuali raggio delle bobine r = 10 cm intensità di corrente I = 5,9 A  Conseguenza

Scelta dei materiali  Le bobine proposta iniziale: cemento ultraleggero – scartata dopo prova pratica scelta finale: legno – facile reperibilità, lavorazione, economicità  Il supporto legno – struttura formata da carrucole con degli stop per posizionare le bobine e tavole per appoggiare tutta la struttura e proteggerla  Il filo rame smaltato: facile reperibilità, scelta tra molte tipologie in commercio  Vernice essiccante ad aria per fissare gli avvolgimenti  Morsetti/jack/mammuth per i collegamenti al generatore  Alimentatore e multimetro digitale del Laboratorio di Fisica (Peano)

Dimensionamento del filo  Diametro filo di rame d = 2 mm  Diametro esterno D = 2,074 mm  Lunghezza totale L = 235,54 m Dati elaborati sulla base delle tabelle pubblicate da una ditta che commercializza fili di rame smaltati

Disposizione degli avvolgimenti Numero di avvolgimenti Diametro esterno del filo D = 2,074 mm Numero di spire per strato n oriz = 9 Numero di strati n vert = 21 Numero di avvolgimenti per bobina N= n oriz * n vert = 189 Dimensioni della “pista per l’avvolgimento” Condizione h oriz – n oriz D < D Larghezza h oriz = 1,90 cm Altezza h vert = n vert *D = 4,36 cm Spessori della struttura di supporto Spessore “pista” S = 1 cm Spessore “bordi” S’ = 0,2 cm

Dimensioni delle bobine Sezione ortogonale delle bobine (vista frontale)

Schema elettrico Collegamento in serie delle bobine con il generatore di tensione e l’amperometro  Resistenza elettrica R = 1,28   Tensione nominale di lavoro V = 7,56 V  Intensità di corrente I = 5,9 A  Massa M = 6,579 kg  Tasso di riscaldamento  T/  t = 0,0176 K/s  T = 5,28 K in 5 min

Gli elementi della struttura Dall’idea … al progetto

Ciò che resta da fare  Montaggio presso i laboratori del CNR-ISM  Misure e mappatura del campo magnetico generato  Prove di crescita di “alberelli magnetici” in campo magnetico  Analisi dei risultati

Cosa abbiamo fatto?  Esperimento di creazione di una comunità di “ricerca e didattica” (scienziati e insegnanti: due approcci diversi)  Sperimentazione didattica del cooperative and learning by doing  Introdotto tematiche di progettazione e modellistica nei licei  Tentativo di avvicinare i giovani alla scienza rendendoli parte attiva in un processo che simula le attività di un gruppo di ricerca

Ringraziamenti  A tutte le persone che hanno partecipato al progetto Nanoscienze e nanomateriali magnetici  Alla prof.ssa Roberta Moncado, D.S del Liceo Peano, per aver sempre sostenuto le nostre iniziative  A tutti voi per la cortese attenzione!