La forza elettromotrice indotta con Arduino

Tramite questa attività potrai scoprire come la variazione di un campo magnetico possa produrre una corrente elettrica, proprio come nella dinamo di una bicicletta.

Per raggiungere questo obiettivo useremo Arduino UNO, una piattaforma hardware utilizzata per costruire progetti di robotica, elettronica e automazione, sulla quale viene caricato un software (in linguaggio C) che consentirà di controllare una serie di sensori collegati alla scheda stessa e di interagire con essi.
In questo progetto Arduino fungerà esclusivamente da voltometro consentendoci di misurare la tensione indotta dalla variazione di un campo magnetico. ​Oltre alla scheda Arduino avremo bisogno di un filo di rame che ci servirà per creare una bobina, pertanto ne servirà parecchio, un tubo di cartone come quello dei rotoli di scottex, attorno al quale avvolgeremo il filo di rame, alcuni cavi di collegamento, una calamita, che dovrà scivolare all’interno del tubo pertanto non prendiamola troppo grande, e una base di legno o di cartone.

In questo progetto vedremo come la corrente che scorre all’interno del circuito non sarà prodotta da una batteria o da una pila, bensì dal movimento di un magnete. Infatti, facendo cadere il magnete all’interno del tubo, il campo magnetico da esso generato varierà generando una corrente elettrica indotta.

Facendo varie prove si può verificare facilmente che l’intensità della corrente indotta dipende esclusivamente da tre grandezze:

1. la variazione del campo magnetico esterno (maggiore è la velocità con cui varia il campo magnetico, maggiore sarà l’intensità di corrente indotta);
2. l’area del circuito indotto (aumentando il numero di spire della bobina maggiore sarà la sua area);
3. l’orientamento del circuito.

Molti esperimenti, condotti fin dalla metà dell’Ottocento, hanno portato alla legge dell’induzione elettromagnetica, nota anche come legge di Faraday – Neumann – Lenz che dice che il valore della forza elettromotrice indotta è uguale al rapporto tra la variazione del flusso del campo magnetico (il flusso del campo magnetico attraverso il circuito è uguale al prodotto dell’area A del circuito per il modulo della componente del campo magnetico perpendicolare al circuito) e il tempo necessario per avere tale variazione, mentre il verso della corrente indotta che si è venuta a creare è sempre tale da opporsi alla variazione del flusso stesso.

Pertanto, possiamo affermare che la forza elettromotrice indotta dipende esclusivamente dalla rapidità con cui varia il flusso del campo magnetico attraverso il circuito. Questo ci porta a concludere che per avere correnti indotte intense occorre variare il flusso del campo magnetico di molto in poco tempo, per esempio cambiando velocemente il campo magnetico nella zona dove si trova il circuito, oppure variando rapidamente l’orientazione del circuito rispetto alle linee del campo.

Dopo questa breve introduzione teorica partiamo con la costruzione del circuito. Per prima cosa, prendiamo il tubo e iniziamo ad avvolgergli attorno il filo di rame creando almeno 50 avvolgimenti il più stretti possibile (è fondamentale non lasciare spazi vuoti tra una spira e quella successiva). In questa fase è molto importante avvolgere il filo il più stretto possibile al tubo, facendo attenzione a non deformarlo e a non strappare il filo stesso. Inoltre, per vedere chiaramente l’effetto di variazione del campo magnetico, è utile lasciare liberi almeno 5 centimetri di tubo da entrambi i lati. Una volta terminata la costruzione della bobina dobbiamo collegarne gli estremi alla scheda Arduino secondo lo schema seguente.

Realizzati tutti i collegamenti hardware passiamo ora alla programmazione della scheda. 
Per prima cosa colleghiamo, con il suo opportuno cavo, la scheda Arduino al nostro pc dove abbiamo precedentemente installato il software per controllare e programmare la scheda Arduino. Dopo aver aperto l’IDE di Arduino, andiamo in strumenti/scheda e selezioniamo Arduino/Genuino Uno e, successivamente, andiamo in strumenti/porta e selezioniamo la porta alla quale è collegato il nostro Arduino. In questo modo abbiamo settato l’ambiente di lavoro di Arduino e possiamo iniziare a scrive il codice per il nostro voltometro che potete scaricare da qui.

Per prima cosa dobbiamo apriamo lo sketch all’interno dell’IDE di Arduino (file/apri e poi selezioniamo il file voltometro.ino) e carichiamolo sulla scheda (per fare questo basta cliccare sulla freccia che presente in alto a sinistra affianco al simbolo di spunta). Dopo di che apriamo il plotter seriale di Arduino (strumenti/plotter seriale).

Fatte queste operazioni preliminari, prepariamoci a far variare il campo magnetico per generare una corrente indotta. Per fare ciò basterà posizionare la bobina in posizione verticale e far cadere, all’interno di essa, la nostra calamita. In questo modo Arduino leggerà il valore della tensione indotta che fluisce all’interno del circuito, mostrandoci la sua variazione nel tempo. Possiamo far cadere più volte la calamita e vedere quello che succede. Potrebbe succedere che la tensione indotta sia troppo piccola, pertanto si può cambiare il valore moltiplicativo di vout aumentandolo di un fattore dieci (da 1000.0 a 10000.0 ad esempio) per amplificare il segnale letto da Arduino.

Come potete vedere nell’immagine seguente, sul plotter seriale comparirà un’onda che rappresenta il valore di tensione letto da Arduino. Man mano che la calamita entra all’interno della bobina, il flusso del campo magnetico, che passa all’interno della bobina stessa, cambierà generando una variazione di flusso diversa da zero, inducendo così la formazione di un campo elettrico e, conseguentemente, di una tensione elettrica.

Al contrario, una volta che la calamita è entrata completamente all’interno della bobina, il flusso del campo magnetico risulta essere costante e pertanto la sua variazione temporale è nulla. In questa fase, il campo elettrico indotto risulta essere zero, così come anche la tensione che passa nel circuito. Nel grafico è rappresentata da una fase, più o meno rapida, in cui la tensione è zero. Infine, mentre la calamita esce dalla bobina, il flusso di campo magnetico varia nuovamente nel tempo, con la conseguente formazione di un campo elettrico indotto e di una tensione diversa da zero.