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Bussola delle tangenti

Tratto da Roberto Vergara Caffarelli, STRUMENTI SCIENTIFICI TRA XVIII E XIX SECOLO NEL DIPARTIMENTO DI FISICA DELL' UNIVERSITA' DI PISA, in:
C.A. Segnini e R. Vergara Caffarelli, ANTICHI STRUMENTI SCIENTIFICI A PISA (SEC. XVII - XX), pp. 168 - 170, Pisa, 1989
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Descrizione
È l'esempio più semplice di galvanometro, cioè di un apparecchio che misura l'intensità della corrente per mezzo del campo magnetico da essa creato.
Illustrazione Il corpo dell'apparecchio, sorretto da tre viti calanti, è costituito da uno spesso anello in ottone, il cui diametro esterno è di 200 mm, su cui è incisa una scala circolare, suddivisa in quattro quadranti di novanta gradi ciascuno, che, oltre ai gradi, numerati ogni dieci, segna anche il mezzo grado.
All'interno dell'anello può ruotare un disco, parimenti in ottone e dello stesso spessore, che sostiene, nei punti in cui viene attraversato, un telaio circolare verticale, dello stesso metallo.
La rotazione del disco all'interno dell'anello è facilitata da due piccoli manici fissati verticalmente ad esso; la sua posizione è letta sulla scala esterna, in corrispondenza di due incisioni diametralmente opposte, segnate tra due coppie di morsetti, posti ai lati del telaio verticale.
Alla periferia del telaio vengono avvolti in una scanalatura due sistemi di spire; ciascuno dei due rocchetti così ottenuti fa capo a due morsetti, uno per ognuna delle coppie di cui abbiamo già parlato. Dato che i due circuiti hanno resistenze molto differenti, riunendoli in serie o in parallelo si può usare la bussola per misurare correnti di intensità molto diverse.
Dal disco, nella zona immediatamente all'interno delle spire, sporge un anello che regge all'interno un limbo anulare in alluminio, che porta una scala con divisioni che segnano i gradi; l'anello è chiuso da un coperchio con piatto in vetro attraverso il quale si osserva l'interno della bussola.
Sotto il vetro una leggera asticella termina al centro del disco con un cilindretto forato per cui passa il perno che sostiene la calamita; una parte traversale a forma di balestra avvitata nelle vicinanze del limbo fissa elasticamente alla base l'asticella che poi continua all'esterno. Una vite, avvitandosi nel disco, può abbassare l'estremità esterna dell'asticella facendo così alzare il cilindretto centrale, che regge la calamita; con questo meccanismo la calamita può essere o sospesa o lasciata libera di orientarsi secondo la componente orizzontale Ho del campo magnetico terrestre.
Usualmente prima di effettuare una misura si orienta l'apparecchio in maniera che le spire e l'ago si trovino nel piano del meridiano magnetico. Quando passa corrente, il campo magnetico prodotto è perpendicolare ad Ho e la calamita devierà secondo la risultante dei due campi.
La calamita è piuttosto tozza: di spessore costante (2 mm), stretta (8,5 mm) e aguzza ma abbastanza corta (17,7 mm) di fronte al diametro delle spire (120 mm), in maniera che il campo magnetico, generato dalla corrente che percorre le spire abbia approssimativamente la stessa intensità al centro e agli estremi della calamita. La corrente che si vuole misurare è proporzionale alla componente orizzontale del campo magnetico terrestre e alla tangente dell'angolo di deviazione provocato dalla corrente, mentre è inversamente proporzionale ad un fattore che dipende dal numero delle spire, dal raggio medio di esse e dalla distanza tra il punto medio della calamita e il centro delle spire. È anche importante il rapporto tra la lunghezza della calamita e il raggio delle spire, che deve essere il più piccolo possibile. Sulla calamita è fissato un lungo indice di alluminio per facilitare la lettura. L'attrito sul perno diminuisce la sensibilità dello strumento, ma questa sospensione permette di evitare l'azione direttrice del filo di una sospensione unifilare o bifilare.
Nelle misure la bussola deve essere posta su un solido basamento al riparo dalle oscillazioni provocate dall'esterno e lontana da materiale magnetico: per questo essa è costruita interamente in ottone. Si livella. Si libera la calamita e si ruota il telaio in maniera che l'indice di alluminio sia sullo zero della scala interna. A questo punto anche le spire sono disposte lungo il meridiano magnetico.
Per sicurezza si effettuerà due volte la misura, inviando con un doppio tasto la corrente attraverso le spire anche nel senso contrario: la deviazione della calamita deve avere direzione opposta ma essere dello stesso angolo, e la divisione in quattro quadranti della graduazione trova la sua giustificazione nella facilità con cui, partendo dallo zero, si possono confrontare le opposte deviazioni. Quando non si ha una perfetta coincidenza del piano delle spire con il meridiano magnetico, le deviazioni non sono uguali; in tal caso si prende come valore di deviazione la media aritmetica delle due letture.
Il circuito esterno va disposto in maniera che produca una azione trascurabile sulla calamita, confrontato con il campo magnetico terrestre e con il campo creato nelle spire. I fili che vanno ai morsetti devono perciò essere attorcigliati tra loro.
Per misure di grande precisione si dovrebbe tener conto dell'eventuale inclinazione del piano delle spire rispetto al piano verticale che passa per il loro centro, della lunghezza e della eccentricitù della calamita, della dilatazione del telaio a causa della temperatura ecc. In generale la legge delle tangenti è verificata solo se è molto piccolo il rapporto tra lunghezza della calamita e il raggio della spira.
La bussola dà una misura assoluta della corrente in quanto la costante di proporzionalità tra la tangente dell'angolo di deviazione e la corrente che si vuol misurare può essere calcolata a priori quando sono note le dimensioni geometriche delle spire e il loro numero. Tuttavia per misure precise è meglio determinare questa costante con taratura empirica: mediante elettrolisi si può tarare in modo molto esatto lo strumento.
Il principale inconveniente delle bussole delle tangenti è la piccola sensibilità dovuta alle necessità di dare grandi dimensioni alle spire e mantenere piccola la lunghezza della calamita, che quindi dà luogo a un piccolo dipolo magnetico. La sensibilità del galvanometro può essere regolata, sovrapponendo al campo magnetico terrestre un campo ausiliario.

Cenno storico
Johann-Salomon-Christoph Schweigger (1779-1857) fu il primo ad avere l'idea di moltiplicare l'azione della corrente sull'ago magnetico, costruendo nel 1821 uno strumento con più spire che chiamò galvanometro moltiplicatore; questo apparecchio poi fu reso assai più sensibile dal Nobili con il sistema astastico degli aghi compensati. Benché la paternità della bussola delle tangenti viene universalmente attribuita a Claude-Servais-Mathias Pouillet (1791-1868), nel suo trattato del 1854 August de La Rive afferma di averla descritta fin dal 1824 e che il Pouillet la ha solo eseguita in forma un po' differente in seguito; il che è riconosciuto dallo stesso Pouillet. Il Majocchi invece fa riferimento aiuno strumento costruito in precedenza da Nervander.

Bibliografia
Johann-Salomon-Christoph Schweigger (1779-1857) fu il primo ad avere l'idea di moltiplicare l'azione della corrente sull'ago magnetico, costruendo nel 1821 uno strumento con più spire che chiamò galvanometro moltiplicatore; questo apparecchio poi fu reso assai più sensibile dal Nobili con il sistema astastico degli aghi compensati. Benché la paternità della bussola delle tangenti viene universalmente attribuita a Claude-Servais-Mathias Pouillet (1791-1868), nel suo trattato del 1854 August de La Rive afferma di averla descritta fin dal 1824 e che il Pouillet la ha solo eseguita in forma un po' differente in seguito; il che è riconosciuto dallo stesso Pouillet. Il Majocchi invece fa riferimento aiuno strumento costruito in precedenza da Nervander.

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Scheda Δ
Firma: Nessuna
Identificazione: [etichetta metalica] 71.
Provenienza: ?
Prezzo: ?
Materiale:Ottone, vetro,ferro, alluminio.
Dimensioni: Diametro 200, altezza 175.
Datazione: Fine sec. XIX.