Strategie_circuiti
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STRATEGIE CIRCUITI 1 ANALOGIE CIRCUITO IDRAULICO CIRCUITO ELETTRICO ANALOGIA TRA ELEMENTI DEL CIRCUITO POMPE GENERATORI TURBINE UTILIZZATORI RUBINETTI INTERRUTTORI TUBI CAVI DI CONDUZIONE ANALOGIA TRA POTENZIALE ELETTRICO PRESSIONE GENERATA DALLA POMPA CADUTA DI PRESSIONE AI CAPI TURBINA DELLA E PRESSIONE TENSIONE AI CAPI DEL GENERATORE CADUTA DI TENSIONE AI CAPI UTILIZZATORE DELL’ VELOCITA’ DI ROTAZIONE DELLA TURBINA LUMINOSITA’ DELLA LAMPADINA POMPE COLLEGATE IN CONCORDANZA DI FASE GENERATORI COLLEGATI IN SERIE Lezione del 17-12- VIII ciclo – DF2 2008-2009 2 ANALOGIE VIII ciclo – DF2 2008-2009 Lezi one del 17122008 3 ANALOGIE Analogia del Treno Circuito Elettrico Vagoni Elettroni Movimento dei vagoni Movimento degli elettroni Frequenza alla quale I vagoni passano Intensità di corrente per una certa posizione sui binari Ostacolo sul binario Resistenza elettrica (nuclei atomici) Uomini che spingono i vagoni Pila Fatica muscolare degli uomini Potenza impiegata dalla pila Vibrazione dei vagoni, rumore e calore Dispersione di calore nei fili e nella prodotto dagli ostacoli sui binari batteria, calore e luce nella lampadina Lezione del 17-12- VIII ciclo – DF2 2008-2009 4 ANALOGIE VIII ciclo – DF2 2008-2009 Lezi one del 17122008 5 SOSTITUZIONE DI CONCETTI Si basa sulle concezioni innate degli studenti, valorizzando le intuizioni corrette e sostituendo ad un concetto non appropriato quello scientificamente accettato. Ad esempio, usando il ciclo PEC, si guida gli studenti a comprendere che in un circuito elettrico quello che si consuma non è la corrente elettrica ma la potenza (o energia) fornita dalla batteria al carico. Si può guidare gli studenti a comprendere anche che la batteria fornisce qualcosa di costante, che non è la corrente elettrica, bensì la differenza di potenziale ai suoi capi. Lezione del 17-12VIII ciclo – DF2 2008-2009 2008 6 CONNESSIONE TRA ASPETTI MACROSCOPICI E ASPETTI MICROSCOPICI. Si basa su un modello, simulato al calcolatore, del flusso di carica e della densità di cariche su un conduttore. La corrente è rappresentata graficamente da freccette e sferette mobili, la differenza di potenziale in due punti del circuito da una differente densità delle sferette. I=0 DV = 0 V DV=1,5 V Circuito aperto DV = 0 V + DV=1,5 V Lezione del 17-122008 VIII ciclo – DF2 2008-2009 7 CONNESSIONE TRA ASPETTI MACROSCOPICI E ASPETTI MICROSCOPICI. I I Circuito chiuso con una I resistenza DV = 0 V DV=1,5 V I + I DV=1,5 V I/2 Circuito chiuso con due resistenze DV = 0 V I/2 I/2 DV = 0 V DV = 0 V DV=0,75 V I/2 I DV=0,75 V I/2 DV = 0 V DV = 0 V + I/2 DV=1,5 V I/2 VIII ciclo – DF2 2008-2009 Lezi one del 17122008 8 DIFFERENZA DI POTENZIALE COME GRANDEZZA PRINCIPALE Si mette inizialmente in relazione la luminosità di una lampadina inserita in un circuito con una pila con il numero di Volt indicati sulla pila. Questo numero (differenza di potenziale) è una caratteristica della pila che può essere misurato con il voltmetro. Si guida gli studenti a comprendere che lampadine differenti connesse alla stessa pila possono avere diverse luminosità e che quindi è necessaria un’altra grandezza, diversa dalla d.d.p. per descrivere il comportamento del circuito (corrente). La corrente è diversa dalla d.d.p.: a circuito aperto I=0 ma d.d.p. ≠0. Viceversa, se d.d.p. = 0, I=0. Si guida gli studenti a comprendere che la stessa lampadina connessa a pile con la stessa d.d.p. ma di volume diverso, rimane accesa per intervalli di tempo diversi. È quindi necessaria un’altra grandezza per descrivere questo comportamento (energia). L’energia di una pila è diversa dalla d.d.p.: alla stessa d.d.p. possono corrispondere diverse energie e quindi Lezione del 17-12-delle pile VIII ciclo – DF2 2008-2009 diversa durata 9 2008 DIFFERENZA DI POTENZIALE COME GRANDEZZA PRINCIPALE Si guida gli studenti a comprendere che la d.d.p. di una pila corrisponde ad un accumulo di cariche di segno opposto ai suoi terminali. Maggiore la differenza nella densità delle cariche ai terminali, maggiore la d.d.p. della pila Questa differenza di densità di cariche ai terminali della pila è mantenuta mediante reazioni chimiche a spese dell’energia della pila, che dipende quindi da come essa è stata costruita. Quando questa energia si esaurisce, la d.d.p. ai suoi terminali diventa quasi nulla Quando i terminali di una pila sono connessi da un filo di resistenza quasi nulla, la velocità delle reazioni chimiche non è sufficiente a mantenere la differenza di densità di cariche ai terminali e la d.d.p. diventa Lezione delquasi 17-12-nulla. VIII ciclo – DF2 2008-2009 2008 10 CARICHE DI SUPERFICIE VIII ciclo – DF2 2008-2009 Lezi one del 17122008 11 CARICHE DI SUPERFICIE VIII ciclo – DF2 2008-2009 Lezi one del 17122008 12 CARICHE DI SUPERFICIE • Si mira a fornire agli studenti il meccanismo di funzionamento dei circuiti a livello microscopico. In particolare si guida gli studenti a capire che, in condizioni stazionarie, dopo un transitorio, la corrente che si stabilisce nei fili di un circuito è proporzionale ad un campo elettrico che è il risultato della composizione del campo elettrico dovuto al generatore inserito nel circuito e ad un campo dovuto alla distribuzione delle cariche elettriche che si dispongono in maniera appropriata sulla superficie dei fili conduttori del circuito • Si introduce in seguito la d.d.p. tra due punti di un circuito come l’integrale di linea del campo elettrico risultante in un filo conduttore. Si distingue anche tra forza elettromotrice (cioè lavoro non-Coloumbiano per unità di carica) e differenza di potenziale (cioè integrale di linea del campo dovuto all’interazione di Coloumb delle cariche di superficie Lezione del 17-122008 VIII ciclo – DF2 2008-2009 13 CARICHE DI SUPERFICIE • Si adotta essenzialmente un modello di filo conduttore come sequenza di anelli di carica. Si guida gli studenti a comprendere che un gradiente della densità di cariche superficiali contribuisce allo stabilirsi di un campo elettrico all’interno del filo. Due anelli di uguale densità di carica producono un campo nullo nello spazio tra essi compreso, mentre anelli di differente densità di carica producono un campo diverso da zero nello spazio tra essi compreso - --- - Lezione del 17-122008 - ER Es - Ed - - - - VIII ciclo – DF2 2008-2009 14
