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primi passi nell`elettricita` della scuola media
PRIMI PASSI NELL’ELETTRICITA’ per la scuola media A cura del prof. FUSCO FERDINANDO 1 PRIMI PASSI NELL’ELETTRICITA’ per la scuola media Le conoscenze proposte: Elettrizzazione e cariche elettriche Le grandezze elettriche Come costruire una pila elettrica I circuiti elettrici Il magnetismo 2 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O PRIMI PASSI NELL’ELETTRICITA’ per la scuola media Le esperienze proposte: Il pendolino elettrostatico Utilizzo del tester La pila all’aceto La luce I campi magnetici 3 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ CAP. 1 ELETTRIZZAZIONE e CARICHE ELETTRICHE ELETTRIZZAZIONE La parola elettricità deriva da elektron, termine che gli antichi greci chiamavano una resina naturale, l’ambra, la quale se strofinata con un panno, attirava a sé corpi leggeri: piume, foglie… L’ambra, il vetro o la plastica, se strofinati con un panno acquistano la capacità di esercitare una forza attrattiva o repulsiva , cioè si elettrizzano ovvero acquisiscono una carica elettrica. 4 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ LE CARICHE ELETTRICHE Strofinando con un panno di lana oggetti di plastica, di vetro o altri materiali, avvicinandoli tra loro si attraggono o si respingono. Le forze prodotte dallo strofinio sono dovute allo scambio di cariche elettriche. Le forze interagenti tra due corpi “trattati”, possono essere di repulsione o di attrazione, bisogna quindi distinguere le cariche elettriche che causano il differente comportamento in due tipi diversi: le cariche positive (+) e la cariche negative (-). Cariche elettriche dello stesso segno si respingono e viceversa. 5 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ CARICA ELETTRICA E STATO ELETTRICO L’elettricità è una proprietà della materia ed è propria di due particelle che costituiscono l’atomo: i protoni e gli elettroni. Quindi, l’elettricità non si crea, ma può trasferirsi mediante uno spostamento di elettroni, per esempio con lo strofinio. Le cariche elettriche dello stesso segno si respingono (- e -) invece quelle di diverso segno si attraggono (+ e -). 6 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ CARICA ELETTRICA E STATO ELETTRICO Allo stato naturale un corpo, per esempio una bacchetta di vetro, prima di essere strofinata non presenta fenomeni elettrici, perché complessivamente tutti i suoi atomi, elettricamente neutri, determinano uno stato elettrico neutro. I corpi in cui gli atomi perdono elettroni e quindi risultano elettricamente positivi (hanno più protoni) si trovano in uno stato elettrico positivo, ovvero hanno carica elettrica positiva. Invece, i corpi nei quali gli atomi acquistano elettroni e quindi risultano elettricamente negativi (hanno più elettroni) si trovano in uno stato elettrico negativo, ovvero hanno carica elettrica negativa. 7 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ CONDUTTORI E ISOLANTI I materiali isolanti sono, ad esempio, la gomma e il legno, perché non hanno la possibilità di far transitare le cariche elettriche, che non possono quindi muoversi. I materiali conduttori sono i metalli (il rame, l’alluminio ecc.) l’acqua, il nostro corpo, la terra; questi non si elettrizzano, ma disperdono immediatamente le cariche che al loro interno si spostano facilmente da un punto all’altro. 8 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ FORZE ELETTRICHE Elettrizzare per strofinio Utilizzo di: oggetti su cui eseguire lo strofinio: biro di plastica di vario genere, cannucce di plastica, posate o pettini di plastica, pezzi di polistirolo per imballo, qualche pezzo di ambra, palloncini. oggetti che evidenziano lo stato di elettrizzazione di un altro oggetto: piccoli pezzi di giornale, di quaderno o stagnola, pezzi di pellicola trasparente per alimenti, filo di cotone o lana, palline di polistirolo. 9 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ FORZE ELETTRICHE Elettrizzare per strofinio Forze a distanza lo strofinio modifica localmente le proprietà di certi oggetti rendendoli capaci di attrarre piccoli oggetti vicini; l’oggetto strofinato acquisisce localmente una carica elettrica e si elettrizza; la presenza dell’oggetto elettrizzato modifica le proprietà degli oggetti vicini rendendoli capaci di essere attratti; la parte elettrizzata dell’oggetto esercita sugli oggetti vicini una forza attrattiva, detta forza elettrica; anche l’oggetto attirato esercita a sua volta una forza eguale e contraria sull’oggetto elettrizzato. 10 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ FORZE ELETTRICHE Elettrizzare per strofinio Forze attrattive o repulsive oggetti della stessa sostanza acquisiscono per strofinio lo stesso tipo di carica elettrica; due oggetti elettrizzati con lo stesso tipo di carica si respingono, tra di loro si esercita una forza elettrica repulsiva; esistono quindi due tipi di carica elettrica, convenzionalmente: cariche elettriche positive ad esempio acquisite dal vetro per strofinio e cariche elettriche negative ad esempio quelle acquisite per strofinio dalla plastica; 11 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ FORZE ELETTRICHE Elettrizzare per strofinio Forze attrattive o repulsive oggetti elettrizzati con cariche dello stesso segno si respingono, mentre oggetti caricati con cariche di segno opposto si attraggono; al contatto con un oggetto elettrizzato per strofinio, un oggetto metallico acquisisce parte della carica elettrica; dopo il contatto, l’oggetto metallico e l’oggetto elettrizzato per strofinio portano cariche dello stesso tipo e si respingono 12 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ I ESPERIENZA IL PENDOLINO ELETTROSTATICO Concetti attrazione e repulsione elettrica: cariche opposte si attirano, cariche eguali si respingono; forze a distanza: la forza di attrazione o di repulsione elettrica agisce a distanza e cresce col diminuire della distanza. Oggetti: una posata di plastica, una pallina di polistirolo, un filo di nylon, un ago e un pezzo di carta di alluminio per alimenti. 13 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ I ESPERIENZA IL PENDOLINO ELETTROSTATICO La fisica la forza elettrica è la forza che l’oggetto elettrizzato esercita sull’oggetto attirato; lo strofinio modifica localmente le proprietà di certi oggetti rendendoli capaci di attrarre piccoli oggetti vicini; l’oggetto strofinato acquisisce localmente una carica elettrica e si elettrizza; l’oggetto attirato esercita a sua volta una forza eguale e contraria sull’oggetto elettrizzato. 14 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ I ESPERIENZA IL PENDOLINO ELETTROSTATICO Attività: con l’ago fare passare il filo attraverso la pallina e fare un nodo; coprire la pallina con la carta di alluminio e appendere il filo su un supporto in modo che possa dondolare liberamente; avvicinare al pendolino una posata di plastica e osservare il comportamento dell’uno in rapporto con l’altra; strofinare poi energicamente la posata con un panno di lana, avvicinare la parte elettrizzata al pendolino e osservare, provare a toccare il pendolino con la posata e osservare che cosa succede. 15 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ CAP. 2 LE GRANDEZZE ELETTRICHE Le grandezze elettriche che si trovano in un circuito elettrico sono: la differenza di potenziale o tensione elettrica; la corrente elettrica; la resistenza elettrica del circuito; 16 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ LA DIFFERENZA DI POTENZIALE Come avviene la circolazione di corrente elettrica in un filo? Serve una “spintarella” agli elettroni che si muovono dal punto a potenziale maggiore a quello a potenziale minore. Succede come tra queste due bottiglie: il liquido si sposta dal recipiente che contiene più acqua a quello che ne contiene meno. 17 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ LA DIFFERENZA DI POTENZIALE La capacità più o meno grande di una pila di spingere gli elettroni lungo un circuito elettrico si chiama tensione elettrica o differenza di potenziale (D.d.P). La sua unità di misura è il Volt (V). 18 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ LA DIFFERENZA DI POTENZIALE LA PILA ELETTRICA L’ inventore della pila è Alessandro Volta. Grazie a questa invenzione, riuscì a dimostrare che si può generare energia tramite reazioni chimiche. Poli elettrici Nella pila ci sono due lamelle chiamate poli o elettrodi. Grazie a processi chimici che si svolgono al suo interno, sul polo positivo si accumulano cariche positive e su quello negativo si accumulano cariche negative. 19 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ LA DIFFERENZA DI POTENZIALE LA PILA ELETTRICA Un fisico dell’Ottocento, John Daniell, inventò una pila simile a quella di Volta. Daniell utilizzò lo zinco, il rame. Mettendo una barretta di zinco nella soluzione di zinco, la barretta cede altri elettroni positivi alla propria soluzione. Il rame invece cede elettroni negativi. Il risultato è, quindi: Sullo zinco rimangono elettroni in eccesso e la barretta si carica negativamente. Sul rame si depositano ioni positivi in eccesso e la barretta si carica positivamente. 20 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ LA DIFFERENZA DI POTENZIALE IL VOLTMETRO Lo strumento che misura la differenza di potenziale ai capi di una pila elettrica o tra due punti di un circuito elettrico si chiama Voltmetro. 21 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ LA CORRENTE ELETTRICA Cariche elettriche in movimento, cioè un flusso di elettroni che si muove attraverso un conduttore, prendono il nome di corrente elettrica. L’ intensità della corrente, simbolo I, è data dal numero di cariche elettriche che in un secondo attraversano il circuito. eAtomo eAtomo e- e- Atomo Atomo e- Atomo e- e- Atomo Atomo corpo conduttore 22 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ LA CORRENTE ELETTRICA Il Coulomb, simbolo C, è l’unità di misura della quantità di carica elettrica. 1 C è formato da circa 6,24 * 1018 la carica dell’elettrone, cioè 6·240·000·000·000·000·000 elettroni !!! L’unità di misura dell’intensità di corrente elettrica è l’Ampere, simbolo A, e prende il nome dallo scienziato francese André-Marie Ampère. Una corrente elettrica ha l’intensità di un A quando attraverso un circuito elettrico passa un Coulomb in un secondo. 23 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ LA CORRENTE ELETTRICA L’ AMPEROMETRO Lo strumento che misura quanti Ampère di corrente circolano in un circuito si chiama Amperometro. 24 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ LA CORRENTE ELETTRICA L’ENERGIA TERMICA Gli elettroni, scorrendo nei conduttori, producono energia termica. Questo effetto si chiama effetto termico o effetto Joule, dal nome del fisico inglese vissuto nell’ottocento, James Prescott Joule, che lo ha studiato per primo. Grazie all’effetto termico parte dell’energia prodotta da una pila si trasforma in energia termica. Quest’ultima viene ceduta all’ambiente come calore. 25 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ CORRENTE ELETTRICA è formata da cariche elettriche che percorrono circuiti conduttori generando nei conduttori provocando esercitando forze su reazioni chimiche ad esempio l’elettrolisi dell’acqua energia termica stufe elettriche forni elettrici magneti altri circuiti percorsi da corrente come accade nei motori elettrici 26 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ CORRENTE ELETTRICA Che si misura in simbolo Ampère A può essere generata da pile dal movimento di spire conduttrici all’interno di campi magnetici Ad esempio nelle dinamo e alternatori apparecchi in grado di stabilire tra i loro poli delle V simbolo Volt Che si misurano in tensioni elettriche 27 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ LA RESISTENZA ELETTRICA La resistenza elettrica è una grandezza fisica scalare, che misura la tendenza di un conduttore ad opporsi al passaggio di una corrente elettrica, quando è sottoposto ad una tensione elettrica. Questa opposizione dipende dal materiale con cui è realizzato, dalle sue dimensioni e dalla sua temperatura. Resistenza campione 28 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ LA RESISTENZA ELETTRICA Uno degli effetti del passaggio di corrente in un conduttore è il suo riscaldamento (effetto Joule). L‘unità di misura della resistenza elettrica è l‘Ohm, indicato con la lettera greca maiuscola omega Ω. In generale, non esistono materiali a resistenza nulla o infinita, cioè, non esiste in natura né un perfetto conduttore elettrico né un perfetto isolante elettrico e si può scrivere che: 0<R<+∞ 29 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ II ESPERIENZA IL TESTER Concetti tensione elettrica e sua unità di misura (Volt - simbolo V); corrente elettrica e sua unità di misura (Ampere - simbolo A); resistenza elettrica e sua unità di misura (Ohm - simbolo ); Oggetti: multimetro digitale, pila elettrica. 30 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ II ESPERIENZA IL TESTER Selezione sul Tester Il multimetro digitale o Tester ha diverse funzioni che si scelgono usando l’apposito selettore: V (Volt), per misure di tensione elettrica; A (Ampere), per misure di corrente elettrica; (Ohm), per misure di resistenza elettrica; selettore ohm volt ampere 31 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ II ESPERIENZA IL TESTER La fisica Quindi, per far circolare la corrente elettrica in un circuito occorre che ci sia una sorgente di energia che rifornisce alle particelle cariche l’energia che dissipano nel loro moto attraverso il circuito; sono sorgenti di energia elettrica le pile, le batterie o accumulatori, per gli impianti elettrici domestici o industriali, le centrali elettriche che alimentano la rete elettrica cittadina; 32 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ II ESPERIENZA IL TESTER La fisica In un circuito elettrico l’energia elettrica si trasforma in altre forme di energia, come energia luminosa, energia termica, oppure energia di movimento; il corpo umano ha una elevata resistenza elettrica, che comporta una bassissima corrente elettrica se ai suoi capi viene collegata una pila da 4,5 V. Però, se si applicasse una tensione di 220 V, come quella della rete elettrica domestica, la corrente diventerebbe tale da provocare effetti molto dannosi per il corpo umano. 33 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ II ESPERIENZA IL TESTER COM Attività: Misura della tensione di una pila: • • • • - AV + posizionare il selettore su 20 V; collegare l’ingresso COM al polo - di una pila da 4,5 V, l’ingresso “ A V” al polo + della pila e verificare che la tensione ai capi della pila è effettivamente vicino ai 4,5 V nominali; scambiare i due collegamenti e verificare che sul visore la misura della tensione compare con il segno “ - ”; misurare la tensione di altre pile elettriche; 34 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ II ESPERIENZA IL TESTER Attività: Misure elettriche nel corpo umano • • • • posizionare il selettore su 10 K; tenere in una mano il cavo collegato all’ingresso COM e nell’altra il cavo collegato all’ingresso “ A V” cercando di fare un buon contatto e misurare la resistenza elettrica; rimisurare la resistenza dopo aver inumidito leggermente le dita; posizionare il selettore su 2V e ripetere la misura precedente, prima con le mani ben asciutte e poi con le dita inumidite; 35 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ II ESPERIENZA IL TESTER • • • Attività: formare una catena di due o tre persone che si tengono (strettamente) per mano e misurare la tensione fra l’inizio e la fine della catena; posizionare il selettore su 2mA e verificare che la corrente è minore di 2mA; ripetere la misura collegando in serie COM A V una pila da 4,5V e misurare la corrente che circola con le dita inumidite. + - 36 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ CAP. 3 LA PILA ALL’ACETO Concetti cariche elettriche tensione elettrica corrente elettrica Oggetti: lamine di rame ed lamine di alluminio; vasetti di vetro con diametro maggiore di quello delle lamine; cavetti elettrici, aceto, tester; 37 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ III ESPERIENZA LA PILA ALL’ACETO La fisica per mantenere una corrente elettrica nel circuito è essenziale avere una pila elettrica o un altro dispositivo che tenga in moto le cariche elettriche; la pila svolge questo ruolo, grazie alle diverse reazioni chimiche che avvengono vicino ai suoi due poli; i due poli sono composti da metalli diversi e si comportano diversamente nei confronti delle cariche elettriche: uno, di rame, tende a perdere elettroni, l’altro, di zinco o alluminio, tende a mandare in soluzione lo ione positivo e quindi rimane carico negativamente. 38 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ III ESPERIENZA LA PILA ALL’ACETO Attività: lamina di rame lamina di alluminio unire una lamina di rame con una di alluminio. prendere un numero di vasetti pari agli elettrodi che si ha intenzione di impiegare e riempirli di aceto. inserire i due elettrodi di una coppia a cavallo di due vasetti avendo cura che in ogni vasetto ci siano sempre due elettrodi di tipo diverso. nel primo e nell’ultimo vasetto inserire l’elettrodo singolo del tipo che manca e collegarlo a uno degli ingressi del tester. con la selezione del tester posta su “V” si può misurare la differenza di potenziale prodotta, con la selezione posta su "mA" si misura la corrente. 39 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ CAP. 3 I CIRCUITI ELETTRICI Un circuito conduttore è il percorso in cui scorre la corrente elettrica. Si può realizzare un circuito utilizzando: una lampadina, una pila e due fili metallici (conduttori). Collegando la lampadina con la pila tramite i due fili metallici in modo da fare circolare la corrente, la lampadina si accende grazie al passaggio degli Elettroni. Un circuito elettrico può essere chiuso o interrotto. E’ chiuso quando la corrente scorre ininterrottamente anche dentro la pila. Per interrompere un circuito si utilizza un dispositivo chiamato interruttore, che ha lo scopo di aprire e chiudere il circuito elettrico. 40 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ I CIRCUITI ELETTRICI Nel circuito elettrico si individuano quindi: Il generatore = pila elettrica; L’ utilizzatore o carico elettrico = la lampadina; I conduttori = mezzi di trasporto della corrente elettrica; L’ interruttore = per stabilire o interrompere la corrente elettrica; 41 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ I CIRCUITI ELETTRICI DISPOSIZIONE DEGLI UTILIZZATORI IN UN CIRCUITO ELETTRICO In un circuito elettrico, gli utilizzatori possono essere disposti: in serie; in parallelo; in serie-parallelo; 42 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ I CIRCUITI ELETTRICI CIRCUITO ELETTRICO IN SERIE Un circuito elettrico è di tipo serie quando gli utilizzatori sono disposti uno di seguito all’altro e perciò la corrente elettrica che attraversa gli utilizzatori è la stessa per tutti. Il difetto di questo tipo di circuito è che funziona esclusivamente con tutti gli utilizzatori integri, se infatti anche uno solo di essi è danneggiato, il circuito non funziona! 43 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ I CIRCUITI ELETTRICI CIRCUITO ELETTRICO IN PARALLELO Si dice che un circuito elettrico è di tipo parallelo quando tutti gli utilizzatori sono collegati a due punti (detti nodi). In questa tipologia di circuiti, gli elettroni che attraversano gli utilizzatori non saranno gli stessi, e la corrente per il singolo utilizzatore dipenderà da quest’ultimo. Al contrario del circuito in serie, gli utilizzatori in parallelo sono tutti indipendenti e il danneggiamento di uno non compromette assolutamente il mal funzionamento degli altri. 44 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ I CIRCUITI ELETTRICI CIRCUITO ELETTRICO SERIE - PARALLELO In questi circuiti si ha una combinazione delle tipologie di circuiti visti precedentemente. Alcuni utilizzatori saranno collegati in serie, ed alcune di queste serie saranno in parallelo ad altre serie di utilizzatori. 45 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ I CIRCUITI ELETTRICI LA PRIMA LEGGE DI OHM La legge di Ohm stabilisce in maniera molto semplice le relazioni esistenti tra le seguenti tre grandezze elettriche: tensione (V), corrente (I) e resistenza (R). Questa legge e stata enunciata dal famoso fisico tedesco George Simon Ohm. L'enunciato suona esattamente così: "L'intensità di corrente in un circuito è direttamente proporzionale alla tensione ad esso applicata ed inversamente proporzionale alla resistenza del circuito stesso". La sua espressione matematica è: I=V/R 46 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ I CIRCUITI ELETTRICI LA PRIMA LEGGE DI OHM L’ espressione matematica I=V/R permette di calcolare che permette di calcolare la corrente conoscendo la tensione e la resistenza. Da questa formula derivano: V=I*R e R=V/I che permettono di determinare la tensione o la resistenza quando siano note le altre due grandezze. 47 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ I CIRCUITI ELETTRICI LA PRIMA LEGGE DI OHM Ad esempio, possiamo affermare che, in un circuito elettrico se la differenza di potenziale applicata tra due suoi punti è uguale ad 1 Volt e la resistenza parziale del tratto compreso tra questi due punti è di 1 Ohm, in questo tratto circola la corrente di 1 Ampere. VAB VR 48 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ I CIRCUITI ELETTRICI LA SECONDA LEGGE DI OHM Mentre la prima legge è ampiamente usata in applicazioni circuitali, la seconda legge studia il valore della resistenza dei componenti stessi (anche di un filo elettrico, dato che anche un filo elettrico reale oppone una certa resistenza al flusso di corrente) al variare delle sue caratteristiche fisiche. La sua formulazione è la seguente: R=ρ*l S 49 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ I CIRCUITI ELETTRICI LA SECONDA LEGGE DI OHM R= ρ*l S dove l è la lunghezza del filo o della resistenza, S la sua sezione e ρ la sua resistività. La resistività ρ è una proprietà intrinseca della materia, e il suo valore cambia a seconda del materiale usato. Ad esempio per il rame ricotto: ρ = 0.0172 * 10-6 Ω·m 50 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ I CIRCUITI ELETTRICI LA LEGGE DI OHM GENERALIZZATA Prendendo in esame un generico circuito elettrico composto da un generatore e da resistenze, possiamo affermare, in base alla Legge di Ohm generalizzata, che la somma delle tensioni sulle Due resistenze equivale alla tensione ai capi del generatore. Cioè: VAB = VR1 + VR2 = R1* I + R2* I = I * (R1 + R2) VAB VR1 I VR2 51 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ IV ESPERIENZA LA LUCE Concetti la pila come sorgente di energia elettrica; la corrente, per circolare, necessita di un circuito chiuso; in un circuito elettrico l’energia elettrica si trasforma in altre forme di energia, come energia luminosa, energia termica, oppure energia di movimento. Oggetti: gli elementi del circuito sono: pila; lampadina da torcia elettrica; cavetti elettrici; tester; 52 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ IV ESPERIENZA LA LUCE La fisica perché la corrente scorra occorre che il circuito sia chiuso e che ci sia una sorgente di energia (pila) che tiene le cariche in movimento; la corrente, circolando nel filamento sottilissimo della lampadina, lo scalda (effetto Joule); il filamento, diventato incandescente, emette luce; trasformazioni di energia: energia elettrica energia termica energia radiante; 53 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ IV ESPERIENZA LA LUCE La fisica L’effetto termico Quando un filo di rame è attraversato da corrente elettrica la sua temperatura aumenta. Se il materiale, attraversato da una corrente elettrica, diventa incandescente, questo produce calore e luce. LAMPADA A INCANDESCENZA 54 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ IV ESPERIENZA LA LUCE La lampadina La lampadina a incandescenza è formata da: 1. Il filamento, cioè una sottile spirale, che diventa incandescente quando la lampadina si accende. 2. La ghiera, che è fatta di metallo. 3. Il bottone, che è anch’esso fatto di metallo. 55 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ IV ESPERIENZA LA LUCE Attività provare ad accendere la lampadina connettendola ai morsetti della pila; montare il circuito come in figura + - amperometro A lampadina 56 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ CAP. 5 IL MAGNETISMO La magnetite è un particolare minerale del ferro in grado di attirare a se piccoli oggetti di ferro. Gli oggetti che hanno questa capacità in natura si chiamano magneti o calamite naturali. Prendendo in esame delle calamite si può notare che: La calamita esercita la sua forza magnetica solo su alcuni materiali come ad esempio il ferro, il nichel e di cobalto. La calamita esercita la sua forza di attrazione solo alle estremità e non nella zona centrale, detta zona neutra. 57 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ IL MAGNETISMO Una calamita libera di girare (bussola) si dispone sempre secondo la direzione del nord e del sud geografico. I poli di una calamita esercitano forze differenti: Poli dello stesso tipo si respingono Poli di tipo diverso si attraggono. Le cariche elettriche possono essere separate, i poli magnetici non si possono assolutamente separare, esistono solo insieme nella stessa calamita. Se infatti dividiamo una calamita in due otterremo due calamite con i propri poli. 58 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ IL MAGNETISMO IL CAMPO MAGNETICO In seguito alle forze esercitate dalla calamita, nello spazio che la circonda si forma un campo magnetico. Un campo magnetico è costituito da linee di forze magnetiche che vanno dal polo Nord al polo Sud che fanno sentire il proprio effetto anche se vi sono sostanze interposte come l’acqua, l’aria o il vetro. 59 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ IL MAGNETISMO IL CAMPO MAGNETICO Possiamo vedere il campo magnetico attraverso la disposizione che assume della limatura di ferro lasciata cadere su una calamita. Anche la Terra ha un proprio campo magnetico. 60 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ IL MAGNETISMO I MAGNETINI ELEMENTARI Dalla proprietà dei magneti per cui suddividendoli in più parti si ottengono altrettanti magneti (non poter separare i poli), si può dedurre che una calamita, anche se esercita la sua proprietà solo sui poli, è magnetica in tutte le sue parti. Secondo la scienza infatti, una calamita è composta infiniti magneti, detti magnetini elementari, allineati ordinatamente. 61 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ IL MAGNETISMO I MAGNETINI ELEMENTARI All’interno della calamita però gli effetti delle coppie polo nord e polo sud si annullano a vicenda, solo alle estremità dunque rimangono affacciati lasciando la zona centrale bilanciata. 62 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ IL MAGNETISMO I MAGNETINI ELEMENTARI In realtà, tutti i corpi sono formati da magnetini elementari, i quali però, a differenza delle calamite, sono disposti disordinatamente annullando così la loro proprietà magnetica. Alcuni oggetti però, come il ferro il cobalto l’acciaio ecc. hanno una proprietà particolare: se vengono avvicinati o messi in contatto con un magnete, i loro magnetini elementari si ordinano orientandosi in un verso comune. 63 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ IL MAGNETISMO CALAMITE ARTIFICIALI Se in conseguenza all’esposizione ad una calamita una sostanza acquista capacità magnetiche, viene chiamato magnete o calamita artificiale. Possiamo dividere le calamite artificiali in due gruppi: Calamite artificiali permanenti come l’acciaio e leghe di alnico, che mantengono nel tempo la loro capacità magnetica. Calamite artificiali temporanee: come il ferro, che perdono la loro capacità in tempi più o meno brevi. 64 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ IL MAGNETISMO I FENOMENI ELETTROMAGNETICI L’elettricità e il magnetismo sono due fenomeni strettamente correlati fra loro. Infatti, due scienziati Christian Oersted e Michael Faraday hanno scoperto rispettivamente come dall’elettricità si possono creare campi magnetici e come dai magneti si possa creare l’elettricità. 65 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ IL MAGNETISMO I FENOMENI ELETTROMAGNETICI Nel 1820 il fisico danese Christian Oersted scoprì che, ogni volta che in un filo conduttore passa della corrente elettrica, l’ago di una bussola posto nelle vicinanze devia. Questo avviene perché la presenza di corrente elettrica crea un campo magnetico in grado di cambiare la direzione dell’ago che indica nord e sud. 66 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ IL MAGNETISMO I FENOMENI ELETTROMAGNETICI Il passaggio di corrente elettrica in un conduttore avvolto, solenoide, crea l’effetto elettromagnetico che è il fenomeno che permette di trasformare un avvolgimento in un magnete. Viene utilizzato per la costruzione di vari apparecchi, ad esempio il campanello elettrico. 67 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ IL MAGNETISMO I FENOMENI ELETTROMAGNETICI Invece, qualche decina d’anni dopo la scoperta di Oersted , il fisico Michael Faraday scoprì il fenomeno inverso. Infatti, se in mezzo a un solenoide si fa scorrere un magnete, si origina corrente elettrica. animazione 68 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ IL MAGNETISMO I FENOMENI ELETTROMAGNETICI La corrente elettrica prodotta dal solenoide si chiama corrente indotta e il fenomeno viene definito induzione elettromagnetica. La corrente non circola sempre nello stesso verso e ha un’intensità che varia in base alla velocità con cui si muove il magnete (ad esempio la dinamo della bicicletta). Il fenomeno dell’induzione elettromagnetica viene sfruttato per il funzionamento dei motori e dei generatori elettrici. 69 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ IL MAGNETISMO IL MOTORE ELETTRICO Grazie all’ effetto magnetico, l’energia di una pila può essere trasformata in energia cinetica, cioè in energia di movimento. animazione Realizzando un circuito come quello della figura, si può costruire un semplice motore elettrico. Infatti, nella bussola l‘ago magnetico, chiudendo e aprendo il circuito, comincia a girare. 70 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ IL MAGNETISMO IL MOTORE ELETTRICO – video 1. il più più semplice motore elettrico 2. motore elettrico caratteristico 3. motore elettrico istruttivo 71 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ IL MAGNETISMO IL MOTORE ELETTRICO In un motorino elettrico più complesso, il circuito si apre e si chiude automaticamente. Al posto dell’ago magnetico c’è una bobina che tende a ruotare quando nella bobina, cioè il circuito elettrico alimentato dalla pila, circola corrente elettrica. Quindi, l’effetto magnetico della corrente consiste nel trasformare l’energia elettrica della pila in movimento e quindi in lavoro. 72 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ IL MAGNETISMO I GENERATORI ELETTRICI Grazie al fenomeno dell’induzione elettromagnetica, si può trasformare l’energia di movimento in energia elettrica. Sulla base di questo principio funzionano, per esempio, la dinamo che è un dispositivo che produce corrente elettrica continua, e gli alternatori che producono corrente elettrica alternata; quest’ultimi sono presenti nelle centrali idroelettriche e termoelettriche, dove si producono grandi quantità di energia elettrica. 73 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ IL MAGNETISMO I GENERATORI ELETTRICI Il funzionamento è l’opposto che per i motori. In pratica, si farà girare la bobina con una forza esterna e quindi, per effetto dell’induzione elettromagnetica, si genererà tensione nell’avvolgimento del generatore. Da ciò se ne deduce che alcune macchine elettriche sono reversibili, cioè possono funzionare sia da generatore che da motore. A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ IL MAGNETISMO I GENERATORI ELETTRICI – video Esempio di semplice generatore elettrico alternativo: Video 75 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ V ESPERIENZA FENOMENI MAGNETICI Concetti Il campo magnetico; Il circuito elettrico come magnete; Interazione tra campo magnetico e corrente come motore e come generatore. Oggetti: due magneti; quattro bussole; una pila; una bobina; cavetti elettrici Un chiodo; Dispositivo che crea un campo magnetico; millivoltmetro 76 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ V ESPERIENZA FENOMENI MAGNETICI La fisica le linee di forza del campo magnetico; l’indivisibilità, per un magnete, del polo nord dal polo sud; l’effetto elettromagnetico; l’induzione elettromagnetica; 77 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ V ESPERIENZA FENOMENI MAGNETICI Attività 1 Una bussola lontano e vicino a un magnete: sua orientazione. Esplorazione con una bussola dello spazio intorno a un magnete. Una piattaforma di bussole lontano e vicino a un magnete: loro orientazione 78 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ V ESPERIENZA FENOMENI MAGNETICI Attività 2 Campo magnetico dovuto ad una corrente elettrica in un filo conduttore e una bussola: esplorazione degli effetti magnetici di una corrente elettrica. Esperimento di Oersted: linee di campo intorno a un filo percorso da corrente. 79 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ V ESPERIENZA FENOMENI MAGNETICI Attività 3 La corrente circolando in un filo conduttore produce un campo magnetico. Se il conduttore è avvolto intorno ad un chiodo, la corrente magnetizza il chiodo, quindi quest’ultimo diventa una calamita e attrae gli spilli. 80 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ V ESPERIENZA FENOMENI MAGNETICI Attività 4 La Legge di Faraday-Neumann-Lenz. Generazione per induzione elettromagnetica: un filo, collegato ad un millivoltmetro, e che viene spostato in un campo magnetico. Il valore della tensione indotta sarà funzione della velocità con la quale si sposta il conduttore. 81 A cura del prof. F U S C O F E R D I N A N D O P R I M I P A S S I N E L L’ L’ E L E T T R I C I T A’ A’ FINE PRESENTAZIONE 82