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La corrente elettrica - circuiti Corrente elettrica e campi magnetici.

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Presentazione sul tema: "La corrente elettrica - circuiti Corrente elettrica e campi magnetici."— Transcript della presentazione:

1 La corrente elettrica - circuiti Corrente elettrica e campi magnetici

2 La corrente elettrica - circuiti 2 Cariche elettriche ferme La materia ordinaria è composta di molecole, che sono costituite da un insieme di atomi tenuti assieme da forze elettromagnetiche. Ogni atomo è composto da un nucleo costituito da particelle chiamate protoni e neutroni attorno al quale si muovono tanti elettroni quanti sono i protoni. Neutroni e protoni hanno praticamente la stessa massa mentre la massa degli elettroni è circa 1/2000 della massa dei protoni. un sistema solare in miniatura: forza di gravitazione universale tra i pianeti e il sole – proporzionalità con le masse sistemi microscopici è valida la meccanica quantistica (per sistemi macroscopici si riduce a quella classica) Nellatomo ogni protone ed ogni elettrone si attraggono con una forza che non dipende dalla massa (è molto più intensa a parità di distanza) ma da unaltra caratteristica chiamata carica. Elettroni e protoni si respingono tra loro. Esiste un solo tipo di massa che dà luogo a forze attrattive, ma esistono due tipi di carica a cui si dà il nome di cariche negative e cariche positive. Cariche di segno opposto si attraggono, cariche dello stesso segno si respingono. Per convenzione il tipo di carica dellelettrone si chiama negativo, mentre quello del protone si chiama positivo.

3 La corrente elettrica - circuiti 3 Cariche elettriche ferme Tutte le cariche elettriche sono multiple della carica dellelettrone (la carica del protone differisce solo per il segno): la carica è una grandezza quantizzata. Gli atomi normalmente hanno quindi tante cariche negative quante positive e si dice perciò che sono neutri e così lo sono le molecole. Tra le molecole neutre esistono forze residue elettriche dovute al fatto che nelle molecole le cariche non sono distribuite uniformemente. Diversamente da quanto avviene in un sistema solare lenergia degli elettroni non può variare in maniera continua ma sono permessi solo certi valori dellenergia (livelli energetici quantistici). Se due sostanze sono poste in contatto, anche strofinandole tra di loro, una delle due sostanze perde più facilmente degli elettroni e divenire carica negativamente mentre laltra acquisterà una carica positiva. Isolanti: Le cariche resteranno confinate dove sono state prodotte Vetro, plastica, legno Lacqua purissima senza presenza di sali disciolti Laria secca è un buon isolante Conduttori: Un notevole numero di particelle cariche (elettroni) sono libere di muoversi Sostanze soprattutto a struttura cristallina (rame, argento, ferro, etc.) Lacqua comune un buon conduttore Laria umida conduce abbastanza bene Quando una carica si muove attraverso un materiale, si dice che cè una corrente elettrica nel materiale

4 La corrente elettrica - circuiti 4 Elettrizzazione E' noto fin dall'antichità che un pezzo di ambra strofinato acquista la proprietà di attirare corpi leggeri, sembra che la scoperta risalga a Talete di Mileto (VII-VI sec. a.C). Oltre all'ambra, corpi di plexiglas, vetro, polietilene ecc. hanno la stessa proprietà. Diciamo che questi corpi per strofinio si elettrizzano. Il fenomeno di elettrizzazione è un'alterazione dell'equilibrio tra cariche elettriche positive e cariche elettriche negative esistenti in ogni corpo non elettrizzato L'elettrizzazione è il risultato dello spostamento di un certo numero di elettroni, detti elettroni di conduzione, da un corpo a un altro. Durante il processo di carica di un conduttore c'è un movimento di cariche elettriche, tale movimento cessa nell'istante in cui ha termine il processo di carica ed il conduttore raggiunge uno stato di equilibrio detto equilibrio elettrostatico. Sperimentalmente si ricava che le cariche elettriche di un conduttore in equilibrio elettrostatico si distribuiscono sulla superficie esterna del conduttore stesso.

5 La corrente elettrica - circuiti 5 Elettrizzazione Elettrizzazione per strofinio Strofinando una bacchetta di vetro, con un panno di seta, si elettrizza positivamente, ciò accade perché alcuni elettroni vengono strappati al vetro dalla seta. Strofinando una bacchetta di polietilene, con una pelle, si elettrizza negativamente, ciò accade perché alcuni elettroni vengono strappati alla pelle dal polietilene. Elettrizzazione per contatto Nei conduttori alcuni elettroni (gli elettroni di conduzione) hanno una certa libertà di movimento, cioè se soggetti a una forza elettrica, si spostano da un atomo a un altro. Se facciamo toccare una barretta di metallo con un corpo carico positivamente, gli elettroni di conduzione della barretta sono attratti dal corpo carico, il metallo perde, così, alcune cariche negative e risulta carico positivamente. Elettrizzazione per induzione Se avviciniamo a una barretta di metallo un corpo carico, ad esempio positivamente, gli elettroni di conduzione vengono richiamati verso la parte più vicina al corpo carico. Se il corpo carico viene allontanato la barretta ritorna neutra.

6 La corrente elettrica - circuiti 6 Legge di Coulomb L'intensità della forza di attrazione o repulsione tra cariche fu determinata nel 1785 da Coulomb che determinò la legge di Coulomb. Dipendenza della forza dalla distanza Coulomb operò con delle sferette aventi una determinata carica e le pose a varie distanze, dalle misure fatte ricavò che se la distanza raddoppia la forza diviene quatto volte più piccola, se la distanza triplica la forza diviene nove volte più piccola, se la distanza si dimezza la forza diviene quattro volte più grande ecc. Quindi la forza di interazione tra due cariche puntiformi è inversamente proporzionale al quadrato della distanza. Dipendenza della forza dalle cariche Coulomb ricavò che non variando la distanza, la forza è direttamente proporzionale a ciascuna delle due cariche, quindi al loro prodotto.

7 La corrente elettrica - circuiti 7 Legge di Coulomb La forza tra due cariche elettriche si chiama forza di Coulomb. Tra due piccole sfere cariche (puntiformi) poste ad una certa distanza r si esercita quindi una forza F = k Q 1 Q 2 /r 2 La forza attrattiva o repulsiva fra due cariche elettriche è direttamente proporzionale al prodotto delle cariche e inversamente proporzionale al quadrato della distanza che le separa. Per motivi storici e pratici lunità di carica 1C (1Coulomb) nel SI è definita a partire dallunità di corrente elettrica (lAmpère) ed è la quantità di carica che passa in un secondo in un conduttore percorso da una corrente di 1Ampère. Con tale definizione dellunità di carica k = 8.99x10 9 Nm 2 /C 2 Due corpi carichi di 1 Coulomb messi a 1 m di distanza si respingono con una forza di 9x10 9 N La carica dellelettrone (e del protone) è q = -1.6x C La carica elettrica si conserva: la carica netta (algebrica) di qualsiasi sistema isolato non può cambiare.

8 8 Attività sullelettricità statica Gli esperimenti vanno eseguiti in ambienti secchi, altrimenti le cariche si disperdono. Può essere utile scaldare (ad es. mediante una candela o un asciugacapelli) i vari oggetti per eliminare il velo di umidità superficiale. Strusciare con un panno di seta o di lana un pettine od un righello di plastica. Questi si caricano positivamente e possono attirare pezzetti di carta. Strusciare una lastra di plexiglas e poggiarla su due libri non troppo spessi come sostegni. Porre sotto la lastra chicchi di riso (ben seccati in forno) o riso soffiato. I chicchi di riso salteranno a toccare la piastra, dopo poco saranno respinti, poi di nuovo attratti ecc. Un perno verticale costituito da uno spillo piantato in un cuscinetto di pezza sostiene una cannuccia di plastica girevole. Si strofina una parte della cannuccia con un panno di lana e si avvicinano ad essa altri corpi, anchessi strofinati. Si nota che la cannuccia talvolta gira avvicinandosi al corpo e talaltra gira in senso contrario

9 La corrente elettrica - circuiti 9 Attività sullelettricità statica Strusciare con un panno una bacchetta per es. di vetro o di plexiglas e sospenderla per mezzo di un filo di seta. Avvicinare ad un estremo unaltra bacchetta di vetro elettrizzata (cariche dello stesso segno) o una bacchetta di gomma o polietilene. Il corpo umano è un isolante od un conduttore? Sperimentare con palloncini strofinati. Avvicinare un corpo elettrizzato ad una bacchetta di conduttore sostenuta da un isolante.

10 La corrente elettrica - circuiti 10 Attività sullelettricità statica Generatori elettrostatici: macchine elettriche che producono elettricità Lelettrizzazione dei capelli In una stanza buia si possono vedere piccole scintille scoccare da un oggetto elettrizzato (golf di lana o di materiale sintetico: scintille e scrocchio). Indossando indumenti di lana o materiale sintetico si può vedere una scintilla e sentire una scossa toccando la portiera dellauto. Questi fenomeni portano a scaricare i corpi carichi attraverso la ricombinazione delle cariche. Elettricità nellatmosfera e dei fenomeni connessi.

11 La corrente elettrica - circuiti 11 Attività sullelettricità statica Lelettroscopio in mostra è costituito da un barattolo di marmellata (vuoto!), nel cui coperchio, di materiale non conduttore, è inserito un perno di metallo a cui sono agganciate due lamine sottili di stagnola. Avvicinando alla palla o toccandola con un oggetto carico le foglioline dellelettroscopio si divaricano. Elettroscopio con la paglia Base isolante, unasticella di metallo. Facciamo pendere ai due lati due fili di paglia. Fili di paglia Base isolante Asticella metallica

12 La corrente elettrica - circuiti 12 Campo elettrico Il rapporto tra carica che si deposita su un conduttore e il potenziale acquisito dal conduttore si chiama capacità del conduttore. La capacità di una sfera carica è proporzionale al raggio della sfera, la formazione della sfera serve ad aumentare la capacità dellelettroscopio. Quando un corpo carico viene portato a contatto con lelettroscopio la carica inizialmente presente sul corpo si ripartisce tra il corpo stesso e lelettroscopio in proporzione alle capacità dei due conduttori; se la capacità dellelettroscopio è più alta questo riceverà una carica maggiore. Lelettroscopio può essere utile per introdurre il concetto di campo elettrico. Lelettroscopio posto in vicinanza di una carica elettrica mostra per induzione la presenza della medesima. Si può pensare che la carica elettrica crei nello spazio una alterazione dello spazio medesimo a cui si può dare il nome di campo elettrico. Così una astronave che navighi lontano da ogni tipo di materia potrà avvertire la presenza di un corpo celeste dalla forza che lattrae verso una certa direzione dovuta al campo gravitazionale creato dal corpo celeste.

13 La corrente elettrica - circuiti 13 Campo elettrico Il campo elettrico è definito nel seguente modo: in un punto dello spazio esiste un campo elettrico non nullo quando una carica posta in quel punto risulta soggetta ad una forza elettrica. Il modulo della forza F risentita da una carica q non troppo grande è proporzionale alla carica stessa, vale la relazione: F=qE da cui: E=F/q E si chiama intensità del campo elettrico. Possiamo dire che il campo elettrico in un punto dello spazio è un vettore che ha la direzione della forza esercitata su una carica sufficientemente piccola posta in quel punto, il verso concorde alla forza se la carica considerata è positiva, verso opposto se è negativa, lintensità uguale al rapporto tra l'intensità della forza e la carica.

14 La corrente elettrica - circuiti 14 Campo elettrico Le figure rappresentano il campo elettrico generato nello spazio vuoto da una carica elettrica Q. Le linee disegnate si chiamano linee di forza. Una linea di forza è una linea dotata di verso tale che in ogni suo punto la tangente orientata ha la direzione ed il verso del campo elettrico. Dove il campo elettrico ha intensità maggiore le linee sono più fitte. +Q +q E E +q –Q

15 La corrente elettrica - circuiti 15 Schermo elettrostatico Per lesistenza di cariche dei due segni è possibile costruire uno schermo elettrico. Se si pone un elettroscopio è posto in una gabbia metallica posta in contatto con la terra lelettroscopio non avvertirà la presenza di una carica avvicinata alla gabbia. Nel campo gravitazionale ciò non è possibile. Se si riuscisse a realizzare uno schermo gravitazionale un corpo messo dentro uno schermo gravitazionale non sarebbe più attratto alla terra e potrebbe allontanarsene liberamente (e analogamente si potrebbe sfuggire alla attrazione del sole!). Una macchina sotto un temporale funziona da schermo => allinterno della macchina non si risente dellazione dei campi elettrici e si è anche sicuri dai fulmini! Filmato Il campo elettrico è definito come il rapporto tra la forza agente su una carica di prova (piccola per non alterare la distribuzione di cariche esistente) e la carica stessa. Lintensità del campo elettrico a distanza r da una carica Q è quindi per la legge di Coulomb: E = k Q/r 2 Il campo gravitazionale prodotto da una massa M è analogamente: GM/r 2

16 La corrente elettrica - circuiti 16 Energia potenziale elettrica Energia potenziale elettrica è lenergia di un oggetto carico sottoposto a un campo elettrico. Il potenziale elettrico è una proprietà del campo stesso, esistente sia che un oggetto carico si trovi o non si trovi in esso. Si definisce potenziale elettrico come V=En pot /q (rapporto tra en. potenziale e la carica di prova) L'unità di misura del potenziale è il Volt=J/C Si dice che tra due punti A e B di una regione di spazio sede di un campo elettrico c'è una differenza di potenziale (ddp) di 1 Volt se la forza elettrica compie il lavoro di 1J per portare una carica di 1C da A a B. Superfici equipotenziali Una superficie equipotenziale è il luogo dei punti che hanno lo stesso potenziale. Le superfici equipotenziali sono perpendicolari alle linee di forza. Condensatori Dispositivi per immagazzinare energia potenziale in un campo elettrico: Flash fotografico Defibrillatore Linformazione sulla presenza o assenza dei campi elettrici Sintonizzatori di ricevitori e trasmettitori radio e televisivi Elementi di memoria dei calcolatori

17 La corrente elettrica - circuiti 17 Magneti permanenti Vari tipi di magneti: magneti da frigorifero magneti ad U dei sarti (per raccogliere spilli) piccole bussole magneti a barretta (ferramenta) magnetite sotto forma di minerale grezzo. Forze tra magneti a barretta. In un magnete ci sono due poli magnetici e che poli dello stesso segno si respingono mentre poli di segno diverso si attraggono. Spezzando un magnete non si ottengono cariche magnetiche isolate ma sempre cariche dei due segni. Azione di calamite permanenti su materiali vari. Utilizzare la forza magnetica per estrarre un pezzetto di ferro immerso in acqua, alcool, olio. La forza magnetica si trasmette attraverso tutti i materiali che non risentono dellazione di calamite.

18 La corrente elettrica - circuiti 18 Aghi magnetici La bussola si orienta nel campo magnetico terrestre. La bussola si orienta vicino ad una calamita a barretta. A causa dellesistenza dei due poli ci sarà sempre una forza sul polo positivo ed una sul polo negativo che tenderanno a far ruotare lago. A differenza del campo elettrico che si manifesta come una forza che agisce sulle cariche, il campo magnetico (che si indica in genera con la lettera B) si manifesta come una azione meccanica che tende a fare ruotare gli aghi magnetici! Lago tende a ruotare fino a che le forze agenti sui due poli si disporranno lungo lasse dellago in versi opposti.

19 La corrente elettrica - circuiti 19 Magneti permanenti Far vedere la formazione di campo magnetico con la limatura di ferro: si pone un cartoncino su un magnete, i singoli pezzettini di limatura si disporranno paralleli alla direzione del campo magnetico la limatura si dispone formando delle linee che partono da un polo ed arrivano allaltro. Queste linee vengono dette linee di forza. La limatura si disporrà in modo da essere più densa in vicinanza dei poli dove la forza magnetica è più intensa. Per discussioni ed approfondimenti: Chi ha inventato la bussola? Come si utilizza la bussola per orientarsi? I poli magnetici terrestri si sono mai spostati nel tempo? Cosa sono le tempeste magnetiche? Gli uccelli migratori hanno la bussola?

20 La corrente elettrica - circuiti 20 La corrente elettrica Se si connettono mediante un sottile filo metallico i due corpi su cui si sono accumulate le cariche, queste si muovono lungo il filo conduttore e si ricombinano. La corrente elettrica che passa in un filo è definita come il rapporto della carica che passa attraverso il filo e lintervallo di tempo durante il quale la carica è passata: i = q/t Se la corrente è la stessa qualunque sia lintervallo di tempo considerato si dice che la corrente è continua (cc). Se si congiungono tra loro i poli di una batteria elettrica con un filo sottile questa è in grado di mantenere una corrente continua per un certo intervallo di tempo, fornendo con continuità carica elettrica ai suoi due poli. I bambini hanno curiosità di comprendere luso dellelettricità nelle loro case e nei loro giocattoli ed hanno familiarità con le pile che vengono utilizzate per molti giocattoli. Per far muovere giocattoli meccanici occorre una certa quantità di lavoro, la pila può quindi produrre al suo interno (mediante una reazione chimica) una certa quantità di energia elettrica e che può essere convertita in energia meccanica.

21 La corrente elettrica - circuiti 21 La corrente elettrica Lenergia immagazzinata in una pila è data da E = qV Dove V è la tensione in volt erogata dalla pila (la differenza di potenziale tra i due poli della pila abbreviata come d.d.p.) e q la quantità i carica che la pila può fornire. Si definisce lunità di corrente Ampère (A) in modo tale che essa equivalga al passaggio della carica di 1C in 1s. Le pile possono fornire per una certa durata di tempo correnti dellordine di grandezza dei milliAmpère. Su una pila tipica di 9V è riportata la corrente che la pila può fornire alla tensione di 9V. Facendo scorrere ad es. una corrente di 0.12A per unora Q = 120 mAh = 0.12Ax3600s = 432 C Lenergia che la pila può fornire è allora: E = 432x9J = circa 3900 J Una pila fornisce questa energia mantenendo tra i suoi poli una d.d.p. dellordine di 10 V. Una batteria di unauto piccola fornisce circa 45Ah. Quando si unisce il polo positivo di una pila al polo negativo con un conduttore si costituisce un circuito elettrico chiuso. Se il conduttore è interrotto si ha un circuito aperto.

22 La corrente elettrica - circuiti 22 La corrente elettrica Materiale per attività sui circuiti in corrente continua: Pile elettriche, Lampadine da torce elettriche, Filo elettrico da campanelli, filo di rame smaltato sottile, Forbici, pinze, cacciaviti. Saldare dei fili ai due terminali (la parte a vite e il contatto sulla parte inferiore o montando dei portalampade su apposite basette). I fili possono essere congiunti usando morsetti a vite (mammut), fili che terminano con pinze a molla (coccodrilli). Costruire un circuito con una pila, una lampadina, un portalampadina e del filo elettrico. Aprire il circuito tagliando un pezzo di filo elettrico (circuito aperto) ed inserire vari pezzi di materiale tra i due estremi. I materiali isolanti manterranno il circuito aperto, con materiali conduttori il circuito è chiuso.

23 La corrente elettrica - circuiti 23 Attività Provocare un corto circuito unendo tra loro (brevemente per non esaurire la pila) mediante un pezzo di filo conduttore i due fili che portano alla lampadina. Perché la lampadina si spenge? (la locuzione corto circuito ed il fenomeno saranno certamente noti anche ai bambini più piccoli). Costruire un interruttore ed inserirlo nel circuito. Come funziona? Tavoletta di legno vite Filo elettrico bloccato dalla vite Striscia di rame bloccata dalla vite

24 La corrente elettrica - circuiti 24 Circuiti in serie e in parallelo Cosa avviene se si svita dal portalampade una lampadina nel circuito in serie? Cosa avviene se si svita dal portalampade una lampadina nel circuito in parallelo? Come sono montate le lampadine nel circuito elettrico di casa? Come sono montate nella ghirlanda di lampade dellalbero di Natale? Come cambia la luce delle lampadine se cè una sola lampadina o due in serie o tre in serie o due in parallelo o tre in parallelo? Lampadine in serieLampadine in parallelo

25 La corrente elettrica - circuiti 25 Multimetro Per ragazzi più grandi si può utilizzare uno strumento detto multimetro digitale per rendere quantitative le osservazioni. Il multimetro è dotato di due cavi che vanno infilati nelle boccole predisposte. Normalmente il cavo nero (COMune) si connette alla boccola contrassegnata così e di colore nero. Laltro cavo si connette ad una delle altre boccole a seconda della funzione che lo strumento universale deve svolgere. Nellesempio in figura la boccola V deve essere utilizzata per misure di tensione, mentre la boccola A deve essere utilizzata per misure di corrente. Il commutatore al centro serve per selezionare varie funzioni o la scala della lettura (ad es, per la corrente 100 mA al massimo, 1 A al massimo etc.) Alcuni strumenti più sofisticati aggiustano automaticamente la loro sensibilità. 1.2 V COM V A Display di lettura con indicazione dellunità di misura Selettore di funzione e di fondo scala Boccole per la connessione di cavi

26 La corrente elettrica - circuiti 26 Multimetro Per la lettura di tensioni (funzione di voltmetro) bisogna toccare con i puntali dei cavi i due punti del circuito (parte conduttrice) tra i quali si vuole leggere la differenza di potenziale(ddp) e cioè in parallelo. Per esempio per leggere la ddp tra i due morsetti di una pila occorre collegare i due cavi ai due morsetti, per leggere la ddp ai capi di una lampadina accesa bisogna connettere i due cavi ai due estremi della lampadina. Per la lettura delle correnti (funzione di amperometro) occorre interrompere il circuito nel punto in cui si vuole misurare la corrente e connettere il multimetro in serie con i due tronconi di circuito. 1.2 V COM V A Display di lettura con indicazione dellunità di misura Selettore di funzione e di fondo scala Boccole per la connessione di cavi

27 La corrente elettrica - circuiti 27 Conduttività elettrica del corpo umano Una pila da 4,5 V è collegata a due elettrodi costituiti da due placche di rame. In uno dei fili di collegamento è inserito un tester. Se una persona tiene in ciascuna mano un elettrodo, chiudendo così il circuito, il tester segnala passaggio di corrente, indicando in tal modo che anche il corpo umano conduce corrente. Si possono formare catene di più persone che si tengono per mano e si ha passaggio di corrente.

28 La corrente elettrica - circuiti 28 Attività Circuito in serie Utilizzare il voltmetro per misurare la ddp ai capi della pila nel circuito serie ed ai capi delle lampadine. La ddp ai capi della pila sarà eguale alla somma delle ddp ai capi delle lampadine (si dice anche caduta di potenziale ai capi della lampadine). Discutere questo risultato in base alla definizione data di ddp. Misurare la corrente in vari punti del circuito: la corrente sarà uguale in tutti i punti del circuito. Discutere questo risultato in base alla definizione di corrente. Circuito in parallelo Utilizzare lamperometro per misurare la corrente che esce dalla pila (erogata dalla pila) e le correnti nelle varie lampadine in parallelo. La corrente erogata dalla pila è uguale alla somma delle correnti che passano nelle singole lampadine. Discutere questo risultato in base alla definizione di corrente. Misurare la ddp ai capi delle lampadine. Tutte le ddp sono uguali nel circuito parallelo.

29 La corrente elettrica - circuiti 29 Resistenza, leggi di Ohm Nel circuito con le lampadine in serie di può verificare che la luce emessa dalla lampadine (la corrente) è inversamente proporzionale al numero di lampadine. Se si alimenta il circuito con una tensione doppia o tripla (mettendo in serie delle pile) si verifica che la corrente è proporzionale al numero di pile in serie. Ad esempio un circuito con due lampadine e due pile in serie fa passare la stessa corrente del circuito con una pila ed una lampadina. Questi fatti sono compatibili con lidea che le lampadine forniscono una resistenza al passaggio della corrente e che la corrente è inversamente proporzionale alla resistenza e direttamente proporzionale alla ddp agli estremi della resistenza: I = V/R o analogamente V = RI (prima legge di Ohm) La resistenza si misura in Ohm (Ω), con 1Ω = 1 V/A. Si chiamano conduttori ohmici tutti i conduttori per i quali si verifica la legge di Ohm.

30 La corrente elettrica - circuiti 30 Resistenza, leggi di Ohm Sperimentalmente si ricava che la resistenza (R) è direttamente proporzionale alla lunghezza l del filo ed inversamente proporzionale alla superficie S della sua sezione: R = ρl/S (seconda legge di Ohm) ρ è un parametro che caratterizza la sostanza (resistività). Il multimetro può misurare la resistenze. Misurare la resistenza tra due mani. Cambia la resistenza se le mani sono ben asciutte o leggermente sudate? Misurare la resistenza tra due terminali inseriti in un liquido (acqua, alcool, olio…)

31 La corrente elettrica - circuiti 31 Gli schemi dei circuiti Si possono introdurre gli schemi dei circuiti ed invitare i ragazzi a realizzarli. resistenzainterruttore aperto interruttore chiuso voltmetro V ampèrometro A pila +-+- due resistenze in serie due resistenze in parallelo

32 La corrente elettrica - circuiti 32 Effetto Joule La lampadine scottano quando sono attraversate da corrente. Un qualunque altro oggetto attraversato da corrente produce calore. Questa è una forma di trasformazione dellenergia elettrica in energia termica (effetto Joule). Sapendo che E=qV e q=it, ne consegue che E = iVt E quindi la potenza elettrica è W= E/t = iV = i 2 R = V 2 /R. Se tutta lenergia elettrica venisse convertita in calore la potenza termica sarebbe data dalla stessa formula. In una lampadina a incandescenza una parte della energia elettrica è convertita in energia luminosa. Le lampade a risparmio energetico una maggiore parte dellenergia elettrica è convertita in energia luminosa mentre è minore la frazione dellenergia elettrica convertita in energia termica.

33 La corrente elettrica - circuiti 33 Effetto Joule Se si tocca una pila che è stata in funzione per un certo tempo si può notare che essa si riscalda, poiché la corrente percorre un percorso chiuso e quindi passa anche allinterno della pila e dissipa energia al suo interno per effetto Joule. Il rendimento di una pila è sempre minore del 100% perché una parte dellenergia fornita è dissipata internamente. Il processo si può schematizzare pensando che una pila reale corrisponda al seguente circuito: pila Morsetto esterno Resistenza interna r

34 La corrente elettrica - circuiti 34 Trasformazioni di energia Un motorino elettrico, alimentato, solleva un peso che, ricadendo, fa accendere un LED. Lenergia elettrica prodotta dalla pila che alimenta il motorino si trasforma in energia meccanica e in particolare in energia potenziale del pesetto; lenergia potenziale si ritrasforma in energia elettrica e questa in energia luminosa.

35 La corrente elettrica - circuiti 35 Pila Una pila può essere costruita immergendo in acqua acidulata (con un po di acido come anche aceto o limone, anche acido cloridrico [muriatico] da diluire con grande attenzione) e due strisce di rame e zinco o altre coppie di materiali come ferro e alluminio (elettrodi). Provare anche con acqua in cui è sciolto un po di sale di cucina o dello zucchero. Lavare i recipienti quando si cambia la soluzione! Con il multimetro digitale si può misurare la d.d.p. ai agli elettrodi. La pila di Volta. rame zinco Stoffa imbevuta di acido solforico diluito

36 La corrente elettrica - circuiti 36 Pila Le pile moderne sfruttano processi elettrochimici più complessi (soprattutto per evitare luso di materiali inquinanti), pile molto simili in struttura a quella di Volta erano in commercio fino a pochi anni da con un involucro esterno di zinco un elettrodo centrale di carbone ed un riempimento di soluzioni di acido. (ai quali era dovuta il fenomeno di corrosione che dava luogo al deposito di sali ed acidi che si trovava allesterno di pile lasciate troppo tempo allinterno di strumenti). Aprire una pila di vecchio tipo (da torcia) Involucro di zinco ricoperto di isolante Elettrodo centrale di carbone Pasta acida Morsetto terminale (+) Chiusura stagna

37 La corrente elettrica - circuiti 37 Fonti Halliday, Resnick, Fondamenti di Fisica, Masson, ew\circuiti\s_cir.htm ew\circuiti\s_cir.htm vallisneri.lu.it\fisica3\fisica3.htm vallisneri.lu.it\fisica3\fisica3.htm

38 La corrente elettrica - circuiti 38 Magnetismo Il campo magnetico di due barrette magnetiche Il campo magnetico della Terra:

39 La corrente elettrica - circuiti 39 Campi magnetici creati da correnti elettriche Una corrente crea un campo magnetico: Campo magnetico creato da un filo rettilineo: Sostenere un filo rigido in cui passa una corrente elevata e disporre limatura di ferro o piccole bussole in un piano perpendicolare al filo. Le linee di forza che si evidenziano sono linee circolari perpendicolari al filo.

40 La corrente elettrica - circuiti 40 Campo m. di una spira Campo m. creato da una spira o da una bobina: Creare una spira arrotolando un filo di rame smaltato attorno ad un supporto circolare, rimuovere la spira dal supporto, osservare le linee di forza del campo con la bussola o limatura di ferro. Campo magnetico simile a quella di un magnete a barretta: un ago magnetico perpendicolare al piano della spira. Si noti in entrambi i casi che il campo magnetico tende ad essere perpendicolare alla corrente.

41 La corrente elettrica - circuiti 41 Elettrocalamita Linserimento di un nucleo di ferro dolce allinterno di una bobina aumenta grandemente il campo elettrico prodotto. Avvolgere del filo isolato attorno ad un cilindro di ferro (anche un grosso chiodo). Si crea così una calamita artificiale che funziona come un magnete permanente finché circola corrente nel circuito. Il rovesciamento del segno della corrente rovescia la polarità della magnetizzazione del cilindro.

42 La corrente elettrica - circuiti 42 Le forze su circuiti percorsi da corrente in un c. m. Su un conduttore percorso da una corrente, immerso in un campo magnetico B, agisce una forza perpendicolare alla direzione della corrente e del campo B. il cui verso si determina secondo la regola della mano destra (Nella figura è perpendicolare al foglio ed uscente dal foglio.) Se langolo tra i e B è retto il suo modulo è F = ilB, dove l è la lunghezza del filo supposto rettilineo attraversato dalla corrente i. Analogia tra: un anello percorso da corrente e un ago magnetico campo magnetico creato forze che si esercitano sul conduttore rettilineo immerso nel campo magnetico Perciò si può definire il campo magnetico in termini della formula precedente. B i i B F

43 La corrente elettrica - circuiti 43 Galvanometro È uno strumento per misurare la corrente attraverso la rotazione di un ago magnetico (o una bobina). Può essere realizzato sospendendo ad un filo un ago magnetizzato e sospendendolo al centro di una bobina. Il campo magnetico creato dalla bobina tenderà a far ruotare lago magnetico in modo che si disponga lungo lasse della bobina. Il filo eserciterà una forza di richiamo e lago ruoterà fino a raggiungere lequilibrio tra la forza dovuta al campo magnetico e la forza di richiamo esercitata dal filo. Il campo magnetico e quindi la deflessione dellago sono proporzionali alla corrente che passa nella bobina.

44 44 Motore elettrico Il principio del motore elettrico: Come in figura, la bobina tende a ruotare in senso orario. Se il verso della corrente si inverte, la bobina tende a ruotare in senso antiorario. Questo lato è tirato verso lalto Questo lato è tirato verso il basso Ago magnetico equivalente alla spira Spira percorsa da corrente Verso della corrente N S NS Vista laterale Vista dallalto

45 La corrente elettrica - circuiti 45 Motore elettrico Realizzare un motore elettrico dimostrativo: costruire una bobina lasciando sporgere il filo della bobina ai due estremi di un diametro lestremo libero del filo deve essere privato del rivestimento isolante e poi reso isolante sulla parte superiore ad esempio dipingendolo con cura con un pennarello nero. La bobina ruoterà di mezzo giro. Quando avrà ruotato di mezzo giro la parte isolante del filo della bobina toccherà il supporto conduttore e non ci sarà passaggio di corrente e quindi nessuna forza. Il movimento rotatorio dovrebbe proseguire per inerzia per altro mezzo giro ed a questo punto si ripristina il contatto elettrico che tenderà a fare ruotare la spira di altro mezzo giro. Sostegno conduttore Base isolante (legno) S N

46 La corrente elettrica - circuiti 46 Motore elettrico Nei motori elettrici reali un sistema di contatti striscianti invertirà il segno della corrente ogni mezzo giro in modo. Smontare un vecchio motore elettrico fuori uso di qualche giocattolo e cercare di capire il funzionamento del sistema di carboncini spinti da una molla (spazzole) che assicura un contatto strisciante.

47 La corrente elettrica - circuiti 47 Correnti indotte Muovere una bobina, connessa ad un amperometro, nel campo magnetico prodotto da un magnete permanente e osservare che nella bobina passa corrente durante il movimento il passaggio di corrente cessa al cessare del movimento Il segno della corrente cambia se ci si avvicina o ci si allontana dal campo magnetico Lo stesso fenomeno avviene se si muove il magnete rispetto alla bobina. La corrente così ottenuta si chiama corrente indotta Nel circuito chiuso costituito dalla bobina si genera una forza elettromotrice (f.e.m.) indotta che fa circolare la corrente. (È come se fosse inserita nel circuito una pila)

48 La corrente elettrica - circuiti 48 Generatori di corrente I generatori di corrente si basano su questo principio. Per ottenere una corrente per un tempo indeterminato occorre utilizzare un moto rotatorio cioè fare ruotare una bobina in un campo magnetico. Lo schema di un generatore di corrente è mostrato in figura: spira Anello collettore Spazzola di metallo (o altro tipo di contatto strisciante) B i

49 La corrente elettrica - circuiti 49 Generatori di corrente Questo tipo di generatore produce una corrente corrente alternata (ac) Questo tipo di corrente è quello usato per distribuire la corrente elettrica per uso civile. Quando la spira è parallela al campo B, il flusso (numero di linee di forza che attraversa al bobina) è nullo. Girandola per un quarto di giro il flusso aumenta (bobina perpendicolare al campo) Nel secondo quarto di giro decresce fino ad annullarsi (bobina parallela al campo) Nel quarto di giro successivo il flusso si inverte ed il segno della corrente cambia per aumentare in valore assoluto e tornare ad annullarsi dopo un periodo completo.

50 La corrente elettrica - circuiti 50 Attività Un generatore ottenuto con una corda per saltare. Utilizzando una prolunga di cavo elettrico di qualche metro e facendola ruotare come si fa per il salto alla corda, è possibile vedere la corrente indotta per il moto entro il campo magnetico terrestre. Bisogna chiudere il circuito con un conduttore lasciato a terra ed inserire lamperometro in serie. Il trasformatore basa il suo funzionamento sul fenomeno dell'induzione elettromagnetica. Infatti il circuito di ingresso (primario) e quello di uscita a tensione più bassa (secondario) non sono in contatto fisico, ma il primo agisce sul secondo solo tramite il flusso magnetico che genera quando è attraversato dalla corrente.

51 La corrente elettrica - circuiti 51 Il trasformatore I due circuiti sono avvolti in spire, di numero opportuno, su uno stesso nucleo di materiale ferromagnetico. Questo materiale ha la capacità di facilitare il passaggio del flusso magnetico dal circuito primario a quello secondario (alta permeabilità magnetica), incanalandolo al proprio interno. Si ha induzione elettromagnetica solo se il flusso magnetico che investe il circuito secondario è variabile. Nell'uso quotidiano ciò è soddisfatto perché i 230 volt che applichiamo al circuito primario sono alternati e quindi variabili. Di conseguenza anche il flusso magnetico generato è variabile.

52 La corrente elettrica - circuiti 52 Il trasformatore Se applicassimo al circuito primario una tensione continua (cioè non variabile) non otterremmo alcuna tensione in uscita dal trasformatore. Se non ci fosse il nucleo magnetico, il flusso sarebbe minore (l'aria ha una minore permeabilità magnetica) e solo una parte raggiungerebbe il circuito secondario, poiché disperso in più direzioni. La corrente distribuita nelle case a 220V può essere pericolosa in caso di contatto con un corpo bagnato => i campanelli nei bagni funzionano ad una tensione inferiore (tipicamente 12V) => cè un trasformatore in mezzo Si possono costruire due bobine con n 1 ed n 2 spire rispettivamente avvolte sovrapposte su un tubo di cartone. Si misurano le tensioni ai capi degli avvolgimenti: V 2 /V 1 = n 2 /n 1.

53 La corrente elettrica - circuiti 53 Campi magnetici indotti Abbiamo visto che: La variazione del campo magnetico in una certa regione dello spazio crea un campo elettrico. È vero anche il viceversa: La variazione del campo elettrico in una certa zona dello spazio induce un campo magnetico. Ciò avviene anche nello spazio vuoto e dà luogo alla propagazione di quelle che si chiamano onde elettromagnetiche. Le onde elettromagnetiche sono caratterizzate dalla lunghezza donda e coprono tutto quello che si chiama lo spettro elettromagnetico con lunghezze donda comprese tra i 10 8 m delle onde lunghe delle trasmissioni radio e i m dei raggi X.

54 La corrente elettrica - circuiti 54 Le onde elettromagnetiche La luce è costituita da onde elettromagnetiche: si tratta di onde trasversali in cui i campi elettrici e magnetici oscillano in piani perpendicolari alla direzione di propagazione dellonda. La lunghezza donda della luce visibile è compresa tra circa 4x10 -7 m (400 nm, nanometri) e circa 7x10 -7 m (700 nm). Luce di lunghezza donda diversa appare allocchio di diverso colore, due estremi citati si riferiscono al rosso ed al violetto. La radiazione elettromagnetica comprende lunghezze donda dal metro delle trasmissioni MF e televisive ai m dei raggi X.

55 La corrente elettrica - circuiti 55 ONDE (Hz) Hz RADIO MICRO ONDE INFRA- -ROSSO VISIBILE ULTRA- -VIOLETTO RAGGI X GAMMA –2 10 –4 10 –6 10 –8 10 –10 10 –12 10 –14 (m) (m) (Hz) (cm)(mm) ( m) (Å) (fermi) (nm) (nm) Spettro Elettromagnetico

56 La corrente elettrica - circuiti 56 Onde radio La lunghezza donda delle trasmissioni in modulazione di frequenza e televisive è attorno al metro con una frequenza dellordine di 10 8 Hertz La modulazione può avvenire con due diversi criteri, in frequenza o in ampiezza. Le prime, le cosiddette onde FM, ottenute facendo variare la frequenza dell'onda, sono quelle che meno risentono dei campi magnetici interferenti, i "rumori di fondo", hanno una portata di ricezione limitata e vengono trasmesse su bande che vanno dagli 88Hz ai 100Hz. Le onde AM sono invece ottenute facendo variare l'ampiezza dell'onda portante, la loro qualità è molto inferiore rispetto alle FM ma hanno il vantaggio di avere una maggiore portata di ricezione.

57 57 Onde radio Nell'antenna, per effetto del movimento delle cariche di conduzione in essa presenti, si generano due campi variabili, uno elettrico ed uno magnetico, con la stessa frequenza dell'onda radio modulata che può così propagarsi nello spazio come una normale onda elettromagnetica. Lo strumento radio ha l'unica funzione di ricevere i segnali trasmessi e riprodurli. Esso è quindi formato da un'antenna che si fa investire dalle onde radio propagatesi grazie alla ionosfera e le raccoglie; le onde ricevute mettono in moto gli elettroni di conduzione dell'antenna ricevente con le stesse caratteristiche di quelli dell'antenna emittente. Per poter però recuperare il segnale trasmesso in origine si deve procedere ad una demodulazione. Per ricercare una determinata onda radio ci serviamo di una manopola collegata ad un condensatore variabile con un'armatura a semicerchi che agisce sulla ricerca della frequenza facendo variare la capacità. Generatore alta frequenza Antenna emittente Antenna ricevente ricevitore Onda elettromagnetica

58 La corrente elettrica - circuiti 58 Fonti Halliday, Resnick, Fondamenti di Fisica, Masson, netismo.asp netismo.asp chnology/electricity_and_magnetism/885.html chnology/electricity_and_magnetism/885.html


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