FISICA/MENTE

 

 

 

 

 

EFFETTI  DEI  CAMPI  MAGNETICI  ROTANTI  NELLE  SOLUZIONI ELETTROLITICHE

 

Adolfo Pastore 

 

 

Abstract

 

Utilizzando un particolare dispositivo che genera un campo magnetico rotante  prodotto da avvolgimenti statorici, alimentati dalla tensione    di rete    con frequenza di 50 Hz e  un cilindro cavo a pareti sottili di teflon chiuso ad  una estremità, contenente  una soluzione ionica di determinata concentrazione, posta in rotazione, si è riscontrato che dopo un certo tempo dalla applicazione del campo magnetico rotante, la soluzione  cambiava colore rispetto a quella di pari concentrazione e quantità non sottoposta invece  all’azione del  campo magnetico rotante.

 

 

Figura 0: l'apparato sperimentale

 

E’ stata misurata la conducibilità delle due soluzioni ed è stato riscontrato che quella sottoposta all’azione del campo magnetico,  inequivocabilmente cambiata di colore, presentava  una conducibilità diversa  rispetto all’altra assunta come campione di riferimento e non sottoposta all’azione del campo magnetico rotante. La soluzione e’ stata preparata utilizzando come solvente dell’acqua distillata di una certa quantità (un litro) e come soluti dei sali che si dissociano in ioni di carica opposta. Si è fatto in modo di mantenere la temperatura costante per entrambi i campioni. La procedura è stata quella di preparare una soluzione di determinata concentrazione dalla quale sono stati prelevati due campioni di uguale volume, di cui uno dei due è stato trattato con il campo magnetico rotante e l’altro è servito come elemento di confronto.

I sali che sono stati utilizzati per lo studio del fenomeno sono: solfato di rame, cromato di potassio, permanganato di potassio, cloruro di sodio, bicromato di potassio e sali di ferro.

Il fenomeno riscontrato per tutti i sali citati è risultato essere lo stesso dal punto di vista dell’effetto riscontrato. La dissociazione elettrolitica di tali sali è nota ed è riportata nella letteratura scientifica.

 

 

Fig.1a:  Schema di principio del dispositivo (di fronte)

 

 

 

Fig.1b:  Schema di principio del dispositivo (dall'alto)

  

Illustrazione dell’esperienza

 

Il  dispositivo sperimentale realizzato e’ mostrato come schema di principio nella fig.1. Per la realizzazione del campo magnetico rotante è stato utilizzato uno statore di un motore asincrono di 600 watt privato del rotore. Nella cavità che ospita il rotore è stato posto un cilindro cavo di teflon a pareti molto sottili (3 mm). Inoltre è stata ripetuta l’esperienza usando anche un cilindro cavo di vetro con pareti sottili. In tale cilindro cavo viene versata una certa quantità di soluzione ionica di determinata concentrazione. La soluzione viene sottoposta a rotazione quindi a sforzi di taglio, mediante delle palette immerse in essa, tali palette erano state realizzate in plexiglass  ed azionate da un piccolo motore elettrico in continua di 35 W alimentato da un generatore a c.c. L’avvolgimento statorico è ad una sola coppia polare pertanto la frequenza di rotazione del campo magnetico bifase è di 50 Hz. (3000 giri al minuto.). E noto infatti che la frequenza del campo magnetico rotante e’ uguale:

 

                                             N= 60 (f/p)

 

Dove N è il numero di giri al minuto, f è la frequenza della tensione alternata sinusoidale, p è il numero di coppie polari. Come detto poc’anzi nel caso specifico p=1. Per ragioni tecnico pratiche di natura laboratoriali, non è stato possibile alimentare l’avvolgimento statorico  con tensione alternata di frequenza maggiore di 50 Hz , al di là dei fenomeni di isteresi legati alla tecnologia realizzativi del traferro.

L’avvolgimento statorico è stato alimentato mediante un variac di  1000 Watt di potenza nominale con tensione regolabile da 20 V fino a 260 V. Inoltre è stata utilizzata una piccola ventola azionata direttamente dalla tensione di rete per raffreddare l’avvolgimento statorico che si riscaldava a causa degli effetti dissipativi provocati dalla corrente elettrica circolante.

E’ noto che per creare un campo magnetico rotante sono necessarie tre bobine identiche sfasate tra di loro di 120 gradi ed alimentate da un sistema trifase. Tuttavia è noto che disponendo di due bobine uguali sfasate di 90 gradi alimentate da un sistema bifase di tensione con cui si  alimenta le due bobine introducendo uno sfasamento di 90 gradi, è possibile ottenere ugualmente un campo rotante. Il vettore campo magnetico H  in corrispondenza del raggio R interno del cilindro ruoterà  con una velocità periferica :

    

                                                V= ω*R

                  

                                                V= 2л f *R

 

 

dove f è la frequenza di rete oppure ,in generale la frequenza della forma d’onda sinusoidale con cui vengono alimentati gli avvolgimenti preposti a generare il campo magnetico rotante.

 

La soluzione elettrolitica posta nel rotore veniva messa in rotazione da un mulinello azionato da un motore elettrico munito di un regolatore di velocità. In ogni caso la soluzione, dal punto di vista idrodinamico deve essere trattata considerando il moto rotazionale di un liquido reale sottoposto a sforzi di taglio. Dal punto di vista formale il problema del moto del liquido, in modo rigoroso, in relazione agli aspetti di natura cinematica e dinamica, rientra nei casi contemplati dall’equazione di Navier–Stokes. E’ noto infatti che il moto di un fluido reale con risposta reologica newtoniana è retto da un equazione del tipo:

 

                                         

 

dove:      indica il contributo delle forze di pressione; indica il contributo della forza peso (γ e’ il peso specifico del liquido); - ρ dV/dt sta ad indicare il contributo della forza di inerzia (con ρ densità del liquido);   rappresenta il contributo delle forze di attrito viscose, µ è la viscosità dinamica del liquido.

 

Tutte le grandezze fisiche intensive caratteristiche del liquido devono essere riferite, ovviamente, ad una determinata temperatura. E’ noto che le caratteristiche del campo di velocità  governato dall’equazione citata, sono influenzate in modo cruciale dal rapporto tra le forze di inerzia e le forze viscose, ovvero dal numero di Reynolds. Inoltre, a causa delle difficoltà formali relative alla soluzione dell’equazione di Navier-Stokes per il problema specifico, è necessario ricorrere a metodi numerici di natura computazionale per descrivere il moto del liquido all’interno del cilindro cavo .Il moto del liquido è infatti provocato dalla rotazione delle palette in esso immerse, con la possibilità di regolare la loro velocità angolare . E’ innegabile che per una determinata velocità di rotazione delle palette, la velocità periferica delle particelle di liquido diminuisce dal centro alla periferia a causa della viscosità del liquido. E’ ancora in corso di studio il modello di simulazione rappresentativo del campo di velocità facendo ricorso alle risorse del software denominato Matlab.

 

 

Interpretazione del fenomeno

 

 

                                                                            

                                   (B vettore induzione campo magnetico)

 

Consideriamo la figura 2 che schematicamente indica un volume a geometria cilindrica del liquido che ruota ad una certa velocità angolare Ω, pertanto una velocità periferica V =  Ω*R.

Su tale cilindro di spessore piccolissimo ∆x, della forma di un anello di lunghezza L e raggio interno R che ruota con una velocità V andiamo ad identificare un volumetto piccolissimo ∆VL  i cui contorni indicati con le frecce, sono mostrati in figura 2. Anch'esso ruoterà con velocità V.

 

L’interpretazione che diamo si rifà al fenomeno dell’induzione elettromagnetica che è, secondo quanto recita la letteratura scientifica, una delle equazioni di Maxwell. Infatti siamo in presenza di un flusso del campo magnetico variabile nel tempo.  Possiamo immaginare che il vettore induzione campo in modulo è costante, ma varia la sua direzione rispetto alla superficie in rotazione. Richiamiamo quanto è già noto:

 

                                             

 

Oppure in notazione integrale:

 

                                         ∫ E x ds = - dФ/dt    

 

La circuitazione del vettore campo elettrico su una linea chiusa è uguale alla derivata  del flusso Ф nel tempo.

 

Supponiamo che la soluzione elettrolitica sia costituita da specie ioniche che indichiamo con X quelle cariche negativamente e Y quelle cariche positivamente derivanti dalla dissociazione elettrolitica del sale intrinsecamente neutro  XY. Possiamo supporre che in rotazione complessivamente vi siano X, Y, XY e molecole di acqua insieme alle sue note specie ioniche responsabili dell’acidità o basicità di una soluzione. Nel volumetto considerato il campo elettrico indotto è quello indicato dalle frecce riportate.

In una interpretazione del fenomeno di natura particellare, possiamo immaginare che tutte le specie presenti in soluzione (soluto e solvente), ruotino con una velocità che in prima approssimazione indichiamo con V (rigorosamente non è esattamente così in quanto le specie presenti hanno massa diversa). L’analisi non perde significato se considero una specie alla volta assegnando a ciascuna di esse velocità Vx, Vy, Vxy e così via.

 

Tale soluzione, in assenza di campo magnetico, posta o meno in rotazione, è in equilibrio dinamico ed obbedisce all’equazione di Fick

 

                                         

 

Pertanto, in modo alquanto semplificato, in un certo istante t la concentrazione delle cariche positive è uguale a quella delle negative inoltre, nello stesso istante t, si avrà che in un volumetto piccolissimo ∆V, indicate con N le specie molecolari che si sono combinate, ne avremo altrettante che si sono dissociate rispettando il principio di conservazione della massa e della carica.

Consideriamo adesso la soluzione in rotazione immersa nel campo magnetico rotante di determinata frequenza di rotazione (è ancora in fase di studio sperimentale gli effetti a frequenza di campo magnetico rotante superiore a 50 Hz).

Le specie ioniche cariche positivamente che si trovano sulla linea di forza perpendicolare all’asse di rotazione che hanno una geometria ad arco di circonferenza, compatibilmente con il verso di rotazione del campo magnetico e di rotazione del liquido, le supponiamo accelerate dal campo elettrico, mentre quelle negative rallentate. Invece per le specie ioniche positive e negative, ruotanti in corrispondenza dell’arco duale opposto, gli effetti sono esattamente complementari a quelli supposti. Le specie ioniche che si trovano sulle linee di forza del campo elettrico indotto, parallele all’asse di rotazione subiranno una forza che tenderà ad avvicinare le specie ioniche di segno contrario. Infatti possiamo supporre, per esempio, che le specie ioniche positive siano favorite da una forza che le spinge verso il basso mentre quelle negative verso l’alto. Ciò avverrebbe su entrambe le linee di forza parallele all’asse di rotazione del liquido elettrolitico. Pertanto la specie ionica X che risente intrinsecamente  dell’attrazione colombiana della specie Y, additivamente va contemplata anche della azione elettrica prodotta dal campo elettrico E indotto. In termini probabilistici c’è una causa esterna che favorisce il processo di ricombinazione oppure di formazione di specie molecolari diverse, una sorta di diffusione ricombinativa di specie ioniche di carica opposta. Infatti, secondo questo modello interpretativo, considerando una superficie ∆S molto piccola, non è più  verificato che il numero di cariche entranti ed uscenti è lo stesso.

I risultati sperimentali ottenuti sembrerebbero confermare questa possibile interpretazione. E’ in fase di elaborazione il modello matematico che supporta questa possibile interpretazione fenomenologica.

 

 

 

Risultati sperimentali

 

 

I sali che sono stati usati hanno formato delle soluzioni lontane dalla saturazione. E’ stato  utilizzato come solvente dell’acqua distillata.

I sali tipicamente definiti forti sono i seguenti:

 

CuSO4 ↔ Cu+²  +  SO4¯²   ( Solfato di rame)

 

KMnO7 ↔ K+  + MnO4¯   (Permanganato di potassio)

 

K2Cr2O7 ↔ 2 K+ + Cr2O7¯ ²  (Bicromato di potassio)

 

K2CrO4 ↔ 2K+  + CrO4¯ ²   (Cromato di potassio)

 

NaCl  ↔ Na+  +  Cl ¯             ( Cloruro di sodio)

 

 

Per i primi quattro sali  si presentano in soluzione con dei colori caratteristici che sono :

 

Solfato di rame

Colore: azzurrino, legato alla concentrazione degli ioni di rame

 

Permanganato di potassio

Colore: violetto, legato alla concentrazione degli ioni MnO4¯   

 

Bicromato di potassio

Colore: arancio, legato alla concentrazione degli ioni Cr2O7¯ ²

 

Cromato di potassio

Colore: giallo, legato alla concentrazione degli ioni CrO4¯

 

Cloruro di sodio

Colore: incolore

 

Le misure che sono state effettuate sono:

 

la conduttività, il pH della soluzione e analisi spettrofotometriche.

 

Sono stati usati  strumenti in dotazione alla seconda università degli studi di Napoli presso Caserta e di un laboratorio privato di analisi chimico-fisiche delle acque, Agrolab sito a Santa Maria Capua Vetere (CE) Via Melorio. La strumentazione è stata gentilmente messa a disposizione assicurando precisa e puntuale collaborazione per l’ uso e per la determinazione delle misure sperimentali.

 

I dati riscontrati hanno dato i seguenti valori di misura.

 

Per il permanganato di potassio

 

Soluzione non trattata con campo magnetico rotante:

 

conducibilità:  118,8  µS/cm

 

pH:  6.9-7

 

risultati spettrofotometrici:

 

lunghezza d’onda                                   assorbanza

       

      565      nm                                              0.981

      545.5   nm                                              1.661

      525.5   nm                                              1.759

      507.5   nm                                              1.390

 

Soluzione trattata con campo magnetico rotante:

stesso volume e concentrazione di quella senza essere stata sottoposta all’azione del campo magnetico rotante.

 

conducibilità:  168,8  µS/cm

 

pH:  7.3

 

risultati spettrofotometrici:

 

lunghezza d’onda                                   assorbanza

       

      565.0  nm                                              0.796

      545.5  nm                                              1.333

      525.5  nm                                              1.441

      507.5  nm                                              1.208

   

 

Si riscontra dall’analisi di tali dati sperimentali che per la soluzione trattata abbiamo una conducibilità più alta, un pH più alto, e una assorbanza minore rispetto a quella non trattata assunta come soluzione di riferimento. Tali risultati sperimentali sono stati più volte ripetuti.

 

Inoltre sono state fatte misure del tipo:

 

campioni di acqua della rete idrica del proprio comune di residenza e soluzioni composte da acqua distillata e cloruro di sodio.

  

I risultati sperimentali sono stati i seguenti

 

Per campioni di 100 ml di acqua della rete idrica:

 

acqua non trattata (25gradi centigradi):

 

pH (25 gradi centigradi) 8.09

 

conducibilità: 409 µS/cm

 

durezza: 6  ºF (gradi francesi)

 

acqua  trattata (25 gradi centigradi):

 

pH (25 gradi centigradi) 8.21

 

conducibilità: 488 µS/cm

 

durezza: 5.8  ºF (gradi francesi)

 

Per campioni di 100 ml di acqua distillata e NaCl

 

Soluzione non trattata  (25gradi centigradi):

pH (25 gradi centigradi) 6.36

conducibilità: 5.6 mS/cm

 

Soluzione  trattata  (25gradi centigradi):

pH (25 gradi centigradi) 7.33

conducibilità: 6.0 mS/cm

 


 

Torna alla pagina principale