Settimana della Cultura Scientifica e Tecnologica

Settimana della Cultura Scientifica e Tecnologica

Liceo Scientifico Vitruvio Pollione – Avezzano

Effetto Lorentz: il potere della deflessione – 5°A e 5°B

Il laboratorio  presentato dal 5°B e dal 5°A espone, attraverso slide ed esperimenti, la forza di Lorentz e le sue applicazioni .

In un primo momento  viene spiegato che essa è la forza che un campo magnetico esercita su una carica elettrica che si muove in esso, prende il nome dal fisico olandese Hendrik Lorentz che nel 1890 fu il primo ad occuparsene. Poi  viene presentata la formula dell’intensità della forza che sarebbe F=qvBsenθ(la carica per la velocità della carica stessa, per l’intensità del campo magnetico, per il seno dell’angolo compreso tra i vettori velocità e campo magnetico). La sua direzione è perpendicolare al piano definito dei vettori velocità e del campo magnetico. Il verso è dato dalla regola della magno destra tenendo conto del segno della carica. Inoltre tale forza non compie lavoro quindi non modifica il modulo ma solo la direzione del vettore velocità e quindi la traiettoria della carica incurvandola.

Nel primo esperimento  viene rappresentato come si crea un campo magnetico posizionando un ago magnetico accanto a due bobine nelle quali viene fatta passare corrente accendendo un generatore. Vediamo che l’ago comincia ad oscillare per il campo magnetico creato, l’ago poi si posiziona perpendicolarmente verso il centro delle bobine stesse, cioè nella direzione del campo magnetico. L’ago si comporta come se fosse in presenza di due calamite e, spegnendo il generatore, esso tornerà nella posizione iniziale.

Nel secondo esperimento invece  viene mostrano come viene deviata la traiettoria del vettore velocità attraverso la forza di Lorentz. I ragazzi  presentano un tubo a fasci filiforme collegato a due generatori di corrente, dei quali uno è collegato alle bobine di Helmotz e l’altro invece è collegato alla base dell’ampolla che avrà il compito di emettere elettroni e, attraverso l’effetto termoionico, creerà un fascio di luce nell’ampolla stessa. Tale fascio di luce cambia la sua forma se ad esso viene avvicinata una calamita e se viene acceso il generatore che ha il compito di creare un campo magnetico. Si vede che all’interno dell’ampolla vengono a formarsi, a seconda dell’angolo che si viene a formare tra la direzione della velocità delle cariche e la direzione del campo magnetico, o una circonferenza o un elicoide.

Arriva il momento in cui avviene  la spiegazione fisico analitica del motivo per cui si formano queste due figure. Il tutto, da come abbiamo capito, dipende dall’angolo che nel caso della circonferenza è di 90°, mentre nel caso dell’elica va a creare la scomposizione del vettore velocità che va a dare luogo a due moti diversi, la cui unione dà come risultato appunto questa figura particolare.

I ragazzi inoltre  mostrano come questa forza sia la causa del fenomeno tanto emozionante e straordinario delle aurore polari. Esse si generano quando flussi particolarmente intensi di particelle cariche che provengono dal sole entrano all’interno del campo magnetico della Terra.  Questo perché sul sole si trovano delle macchioline che in alcuni periodi si intensificano e in altri spariscono quasi del tutto. Ogni 11 anni c’è una fase in cui queste macchie sono particolarmente numerose. Queste particelle generano i suddetti brillamenti o eruzioni solari,  che sono esplosioni sulla superficie solare nel corso delle quali queste particelle sono lanciate ad altissima velocità nello spazio. Quando giungono sulla terra  si scontrano con il campo magnetico del nostro pianeta che le devia verso i poli e finiscono per urtare le molecole d’aria nell’alta quota. Le molecole vengono distrutte e gli atomi ionizzati, in questo processo di ricombinazione gli atomi emettono luce e l’atmosfera diventa luminosa. Le particelle vengono deviate verso i poli attraverso la forza di Lorentz e così si formano le aurore polari. Le colorazioni dipendono dalle diverse  specie atomiche ionizzate coinvolte.

Un’altra applicazione che viene presentata è nel campo della medicina e in particolare per quanto riguarda la cura dei tumori. I ragazzi  mostrano l’Adroterapia, che è una nuova tecnica usata per sconfiggere questo male. Il centro nazionale di adroterapia oncologica di Pavia è stato il primo centro in Italia a farne uso. Questa terapia si basa sull’utilizzo di adroni, cioè particelle di carica positiva che sono più pesanti e hanno un maggiore quantitativo energetico rispetto agli elettroni. Per garantire la massima efficacia queste particelle devono subire una potente accelerazione e ciò avviene grazie al sincrotrone, che sarebbe un apparecchio al cui interno si genera sia un campo elettrico che accelera le particelle sia un campo magnetico che ne devia la direzione.

Il sincrotrone è collegato poi direttamente alle tre sale di questo centro in cui si pratica la terapia e il fascio di particelle viene direzionato verso la parte malata del paziente colpendo le cellule tumorali con estrema precisione. Il momento in cui gli adroni sprigionano la massima energia si chiama “picco di Bragg” e tutto ciò permette di danneggiare il DNA delle cellule malate in modo irreversibile. Anche a Frascati è stato realizzato un istituto di ricerca di fisica nucleare al cui interno è contenuto il primo acceleratore di alta energia realizzato in Italia. Questi fasci di particelle sono capaci di curare i tumori non operabili e resistenti alla radioterapia tradizionale. Successivamente vengono esposti vari esempi di sincrotroni come l’ LHC, che è il sincrotrone più potente al mondo, situato presso il CERN di Ginevra.

In ultima analisi vengono spiegati gli acceleratori di particelle, i quali sono dispositivi utilizzati per portare ad alta energia le particelle cariche col fine di studiarne le collisioni tra di loro o contro un bersaglio. In un acceleratore di particelle agiscono due campi, un campo elettrico e un campo magnetico, in particolare quest’ultimo esercita la forza di Lorentz su queste particelle. Gli acceleratori si dividono in: lineari, circolari e sincrotroni, un esempio tipico di acceleratore lineare è il tubo catodico.

I sincrotroni sono degli acceleratori circolari e ciclici, in cui il campo magnetico e il campo elettrico sono sincronizzati con il fascio di particelle stesse . Mentre il Ciclotrone  invece è un acceleratore circolare di particelle elettricamente cariche e queste particelle sono usate come proiettili in grado di penetrare all’interno dei nuclei degli atomi disgregandoli e creando una produzione di materiali radioattivi e di particelle subatomiche. Venne utilizzato dai fisici  per studiare la struttura della materia.

Attraverso la spiegazione esaustiva dei ragazzi abbiamo compiuto un interessante viaggio all’interno della fisica e delle sue applicazioni.

Maria Mosca e Carlotta D’Agostino 5°B

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