La forza di Lorentz alla maturità (esperimento)

Il testo in italiano sull'esperimento con la forza di Lorentz è poco più sotto.

I have been contacted by a father to help his son with the high-school graduation project (you know, the school exam when you are 18-19 years old). I will explain few options to visualize the Lorentz force in my native language.

INTRO

Bene ragazzi. La teoria sulla forza di Lorentz l'avete studiata a scuola. Se siete qui è perché vi servono delle indicazioni su come poterla visualizzare su un sistema casalingo, giusto?

Fino al primo decennio degli anni 2000 in tutte le case c'era un ingombrante generatore di fascio di elettroni: la televisione a tubo catodico (mi piace immaginarlo detto con la voce di Fantozzi). Anche detto TV CRT dall'acronimo inglese. Gli ultimi esemplari sono stati venduti nel 2013, dopodiché l'avvento della TV digitale terrestre (DTT), gli scomodi decoder e poi ancora il passaggio al DTT-4k ne hanno decretato l'inesorabile tramonto e scomparsa dalle nostre case.

Oggi - 2021 - queste TV si trovano nel mercato dell'usato al prezzo delle patate, se non gratis, quindi sono ottime per realizzare un mini-laboratorio casalingo in assoluta economia. Consiglio di puntare ai modelli più piccoli, che sono più maneggevoli.

Altri oggetti con tubo catodico erano i monitor per computer e gli oscilloscopi, il cui prezzo è più elevato di una TV, anche se si tratta di pezzi tecnologicamente obsoleti. Ho in serbo una variante tascabile di questo esperimento, documentata al fondo.

TV CRT

Problema 1: serve un segnale. Accendendo oggi una TV analogica si vedrà solo il rumore di fondo sul quale la forza di Lorentz sarà poco evidente. Ma ci sono alcune possibilità:

1. le vecchie TV accettano un segnale a radiofrequenza analogico (introvabile);
2. spesso hanno una presa SCART per il collegamento al videoregistratore/decoder;
3. hanno un menù in sovra-impressione.

Scartata la 1), per la 2) potete cercare in casa un oggetto che genera un segnale video composito da iniettare nella SCART come le prime macchine fotografiche o videocamere digitali compatte (attenzione che serve il cavo!). La libreria TVout di Arduino può fare al caso vostro se ve la sentite di pacioccare con l'elettronica (o se aggiunge valore al vostro elaborato).

La soluzione 3) invece mi piace tantissimo: basta avere il telecomando della TV per attivare la visualizzazione di un quadro con delle comode informazioni statiche.

Problema 2: invocare Lorentz e spostare il fascio.

L'immagine su uno schermo CRT viene costruita colpendo lo schermo con un fascio di elettroni, riga dopo riga, pixel dopo pixel. A differenza dell'esperimento di laboratorio dove il fascio giace su una semiretta, qui si sposta velocemente per costruire l'immagine, ma poco importa.

Portando un bel magnete davanti al vetro dello schermo l'immagine dovrebbe deformarsi. Se la TV è a colori, cambieranno anche i colori dell'area interessata. Su uno schermo piccolo il fascio avrà meno energia e sarà più sensibile alla forza di Lorentz. Provate anche a mettere il magnete sul fianco dello schermo, e a girarlo.

Attenzione. Il tubo a raggi catodici funziona con tensioni letali quindi sconsiglio vivissimamente di aprire l'oggetto per posizionare il magnete in altri punti del tubo. Inoltre i condensatori restano carichi per ore dopo aver staccato la spina, quindi non aprite la TV appena spenta. Uomo avvisato, mezzo salvato.

MONITOR PER PC

Ammesso di trovarne ancora in giro, il monitor per computer a tubo catodico ha un ingresso VGA (connettore blu) e può essere usato anche con i computer attuali, se dotati di uscita VGA. Mal che vada si dovrà costruire un semplice circuito con Arduino che visualizzi una informazione statica.

OSCILLOSCOPIO

Un oscilloscopio funzionate, se impostato correttamente, visualizza una linea orizzontale: il fascio di elettroni viene fatto scorrere da sinistra a destra in continuazione, sull'asse delle ascisse. Se si applica un segnale all'ingresso lo strumento inizia a disegnarlo variando la posizione del fascio sull'asse delle ordinate, come se usassimo una matita su un foglio. Quindi un oscilloscopio "a riposo" è sufficiente a giocare con la forza di Lorentz.

Tra l'altro la traccia si può spostare sull'asse Y per studiare gli effetti della forza nelle zone periferiche.

VARIANTE TASCABILE

Ed eccoci alla fine, con la variante tascabile.

Negli anni 1970 sono stati introdotti sul mercato dei display funzionanti con lo stesso principio dei tubi catodici: un filamento riscaldato che emette elettroni all'interno di un involucro di vetro con il vuoto spinto e un target con fosfori su cui far atterrare gli elettroni in modo da illuminarlo. A differenza del tubo catodico dove il fascio di elettroni viene deviato per via elettrostatica o magnetica, nei display VFD è l'area da illuminare ad attrarre a sé le nostre particelle negative.

Bene, siccome ci sono elettroni liberi attirati verso una zona ben delimitata, è possibile deviarli con la forza di Lorentz producendo un effetto visibile.

Ma quale dispositivo ha queste caratteristiche? Una calcolatrice tascabile! Ed è anche alimentata a batterie. Come riconoscerla?

Una calcolatrice con display VFD visualizza le cifre di colore verde-azzurro su sfondo nero (buio). No rosso, no grigio. Anche in questo caso lo sperimentatore dovrà rivolgersi al mercato dell'usato o chiedere ai conoscenti se ne hanno una nel cassetto. Qui avevo fotografato una calcolatrice con display VFD.

Per visualizzare l'effetto della forza di Lorentz sulla calcolatrice io farei in modo di visualizzare il numero 8 su tutte le cifre, posizionando o spostando il magnete sopra al display.

I display VFD sono stati utilizzati anche nei videoregistratori, negli impianti stereo, nei forni a microonde, ... si riconoscono perché hanno uno o più sottilissimi fili orizzontali che coprono tutta la lunghezza del display (il filamento). Ovviamente il dispositivo deve essere acceso per "subire" la forza di Lorentz.