L`elettricità e il magnetismo
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Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo 1. Le forze elettriche 2. La corrente elettrica e i circuiti 3. La resistenza elettrica e le leggi di Ohm 4. Le forze magnetiche 5. L’elettromagnetismo Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 1 Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo Indice Le forze elettriche Fate a pezzettini un foglio di carta. Poi strofinate un oggetto di plastica o di vetro su un maglione di lana. Se ora avvicinate l’oggetto strofinato ai pezzetti di carta, che cosa succederà? L’oggetto strofinato attira la carta ed è in grado di sollevarla. Questo pettine è stato elettrizzato per strofinio e ora esercita una forza elettrica sulla carta. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 2 Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo Indice Le forze elettriche La forza elettrica agisce a distanza. Infatti basta che l’oggetto elettrizzato si avvicini ai pezzettini di carta, senza toccarli, perché essi sentano la forza di attrazione. Ogni oggetto elettrizzato crea intorno a sé un invisibile campo di forza: il campo elettrico. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 3 Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo Indice Le forze elettriche Le forze elettriche possono essere attrattive oppure repulsive • elettricità positiva: la plastica e il vetro elettrizzati si attraggono è quella acquistata per strofinio dalle sostanze come il vetro • elettricità negativa: due fogli di plastica elettrizzata si respingono è quella acquistata per strofinio dalle sostanze come la plastica Gli oggetti elettricamente carichi si respingono se la loro elettricità è dello stesso tipo, ma si attraggono se la loro elettricità è di tipo opposto. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 4 Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo Indice Le forze elettriche: da dove hanno origine? elettrone bottiglia di vetro strofinata penna di plastica strofinata Quando si strofina contro la lana un oggetto di plastica, alcuni elettroni degli atomi della lana si trasferiscono sulla plastica. Quando si strofina contro la lana un oggetto di vetro, alcuni elettroni degli atomi del vetro si trasferiscono sulla lana. Così la plastica si carica negativamente. Così il vetro si carica positivamente. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 5 Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo Indice I conduttori e gli isolanti isolanti isolanti elettrici = sostanze in cui le cariche in eccesso si muovono con difficoltà conduttori conduttori elettrici = sostanze in cui le cariche in eccesso si spostano facilmente Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 6 Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo Indice L’elettrizzazione per induzione Ma perché la carta che è neutra, cioè non elettrizzata, risente dell’attrazione elettrica della plastica e del vetro? Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 7 Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo Indice L’elettrizzazione per induzione bottiglia di vetro strofinata penna di plastica strofinata L’oggetto strofinato genera intorno a sé un campo elettrico. Il campo elettrico induce la separazione delle cariche, perciò si parla di induzione elettrica. Quando la carta si trova nel campo elettrico, le cariche elettriche dentro la carta si ridistribuiscono. Nei due casi le cariche sono opposte, ma il risultato finale è lo stesso: l’oggetto e la carta si attraggono. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 8 Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo Indice La corrente elettrica Che cosa tiene accesa questa lampada? La corrente elettrica! È un flusso di elettroni degli atomi nel filo conduttore. Gli elettroni migrano tutti nella stessa direzione. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 9 Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo Indice Un circuito idraulico per aiutare a capire la corrente elettrica pompa flusso del liquido pressione maggiore pressione minore La pompa trasferisce liquido da destra a sinistra, mantenendo il dislivello tra i recipienti. Così nel tubo in basso il liquido continua a scorrere. Per l’elettricità l’equivalente del livello del liquido è il potenziale elettrico. Un oggetto carico ha un potenziale elettrico tanto maggiore quanto più grande è il numero delle cariche elettriche in esso accumulate. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 10 Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo Indice La corrente elettrica potenziale elettrico minore potenziale elettrico maggiore conduttore corrente elettrica Tra i due oggetti c’è una differenza di potenziale elettrico, chiamata anche tensione elettrica. Quando gli oggetti sono collegati da un conduttore, gli elettroni del conduttore si spostano per annullare la differenza di potenziale: si ha allora una corrente elettrica. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 11 Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo Indice I generatori di tensione Per mantenere il dislivello tra i recipienti, e quindi il flusso del liquido nel tubo in basso, occorre una pompa. pompa flusso del liquido pressione maggiore pressione minore potenziale elettrico minore potenziale elettrico maggiore conduttore corrente elettrica Per mantenere la differenza di potenziale, e quindi la corrente elettrica nel conduttore, occorrerà un generatore di tensione. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 12 Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo Indice I generatori di tensione Per mantenere una corrente elettrica occorre un generatore di tensione. elettrodo positivo (anodo) zinco rame la pila di Volta Il primo generatore di tensione è stato la pila costruita a Pavia da Alessandro Volta a inizio Ottocento. panno con soluzione acida elettrodo negativo (catodo) Tra ogni coppia di dischetti si forma una piccola differenza di potenziale. I contributi di tutte le coppie si sommano, così agli elettrodi della pila si ha una tensione più consistente. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 13 Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo Indice I circuiti elettrici Se si dispone di un generatore di tensione, si può creare un circuito elettrico. generatore di tensione nel circuito passa corrente utilizzatori circuito chiuso interruttore la lampadina si accende In un circuito la corrente di elettroni si muove dall’elettrodo negativo verso quello positivo. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 14 Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo Indice Costruire un generatore di tensione «vegetale» Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 15 Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo Indice La resistenza elettrica e l’effetto Joule Ogni conduttore oppone una resistenza al passaggio della corrente elettrica al proprio interno. La resistenza elettrica è dovuta all’attrito tra gli elettroni e gli atomi del reticolo cristallino del conduttore. Come ogni forma di attrito, anche la resistenza elettrica libera calore e perciò riscalda il conduttore. Questo è l’effetto Joule su cui si basa il funzionamento delle lampadine a filamento. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 16 Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo Indice La prima legge di Ohm prima legge di Ohm: i = V R collegando in serie due pile, la tensione raddoppia e la lampadina emette più luce L’intensità della corrente i in un conduttore è direttamente proporzionale alla tensione elettrica V e inversamente proporzionale alla resistenza R del conduttore. Se si misura la corrente e si conosce la resistenza, allora la tensione è data da: V=Rxi Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 17 Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo Indice La seconda legge di Ohm filo di rame filo di rame filo lungo di rame filo spesso di rame un filo conduttore più lungo, a parità di sezione, ha resistenza maggiore seconda L legge di Ohm: R = r s un filo conduttore più spesso, a parità di lunghezza, ha resistenza minore La resistenza R di un conduttore è direttamente proporzionale alla sua lunghezza L e inversamente proporzionale alla sua sezione s. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 18 Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo Indice La seconda legge di Ohm seconda L legge di Ohm: R = r s Il coefficiente r è chiamato resistività; dipende dal materiale di cui è fatto il conduttore. filo di rame filo di ferro La resistività del rame è minore di quella del ferro. Perciò il rame è un conduttore elettrico migliore rispetto al ferro. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 19 Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo Indice Le unità di misura delle grandezze elettriche Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 20 Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo Indice L’elettrolisi Se i due elettrodi sono immersi in acqua distillata, cioè pura H2O, il circuito rimane aperto: non circola corrente. catodo anodo Invece se nel recipiente si mette acqua salata, il circuito si chiude e passa corrente. Come mai? Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 21 Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo Indice L’elettrolisi Nell’acqua il cloruro di sodio (NaCl) si dissocia in ioni positivi (Na+) e ioni negativi (Cl–). catodo anodo Gli ioni Na+ sono attratti dal catodo, che è l’elettrodo negativo. Gli ioni Cl– sono attratti dall’anodo, che è l’elettrodo positivo. Si ha così l’elettrolisi: nel circuito passa corrente elettrica . Sul catodo si forma una patina di sodio, mentre all’anodo si libera cloro gassoso. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 22 Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo Indice La corrente elettrica nei gas che cosa provoca i fulmini? Durante i temporali le nubi si caricano di elettricità e si crea una tensione elettrica tra nubi e terreno. All’improvviso l’aria diventa conduttrice: le sue molecole si ionizzano e un’intensa corrente elettrica attraversa l’aria, producendo il fulmine. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 23 Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo Indice Le forze magnetiche La forza magnetica di una calamita agisce anche attraverso il vetro. La calamita attrae soltanto gli oggetti che contengono certi metalli: ferro, nichel o cobalto. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 24 Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo Indice Le forze magnetiche Ogni calamita ha due poli chiamati nord (N) e sud (S). N S S N i poli dello stesso tipo si respingono S N S N i poli di tipo opposto si attraggono Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 25 Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo Indice Le forze magnetiche I due poli di una calamita sono inseparabili. N N N S S S N N S N S S N S Se si spezza un magnete si formano altri magneti, ciascuno con due poli opposti. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 26 Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo Indice Le forze magnetiche L’ago magnetico di una bussola si orienta sempre nella direzione nord-sud. polo nord magnetico polo sud geografico polo nord geografico polo sud magnetico Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 27 Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo Indice Le forze magnetiche Se si avvicina un magnete a una bussola, l’ago devia. Il campo magnetico della calamita predomina su quello terrestre. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 28 Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo Indice Le forze magnetiche Strofinate un grosso ago di ferro su una calamita, poi fissatelo a un oggetto che galleggia sull’acqua. Avrete una bussola fatta in casa: l’ago farà ruotare il galleggiante per orientarsi nella direzione nord-sud. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 29 Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo Indice Visualizzare il campo magnetico Mettete una calamita sotto un foglio di cartoncino su cui avete sparso un po’ di limatura di ferro. I minuscoli pezzi di ferro si orienteranno visualizzando la struttura del campo magnetico della calamita. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 30 Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo Indice L’elettromagnetismo circuito aperto a circuito aperto l’ago della bussola è orientato nella direzione nord-sud Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 31 Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo Indice L’elettromagnetismo circuito chiuso a circuito chiuso l’ago della bussola ruota e diventa perpendicolare al filo in cui passa la corrente Questa esperienza dimostra che la corrente elettrica genera un campo magnetico. Le cariche elettriche in movimento generano sempre un campo magnetico. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 32 Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo Indice Tre modi per magnetizzare oggetti metallici che contengono ferro per strofinio per induzione per contatto Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 33 Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo Indice L’elettromagnetismo Le due estremità di un solenoide sono collegate a un amperometro. Il magnete è fermo; l’amperometro indica che nel circuito non passa corrente. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 34 Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo Indice L’elettromagnetismo Le due estremità di un solenoide sono collegate a un amperometro. Se si fa muovere rapidamente il magnete dentro il solenoide, l’amperometro mostra che nel circuito passa corrente. Induzione elettromagnetica: un magnete in movimento genera sempre un campo elettrico e può indurre perciò una corrente elettrica in un circuito. Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 35 Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo Indice L’elettromagnetismo magnete che ruota La dinamo della bicicletta funziona grazie al fenomeno dell’induzione elettromagnetica. solenoide corrente ai fari Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 36 Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo Indice Le onde elettromagnetiche L’elettromagnetismo è fondamentale per le telecomunicazioni. onde elettromagnetiche Facendo variare il flusso degli elettroni, si produce un’oscillazione simultanea del campo elettrico e del campo magnetico. Così l’antenna emette onde elettromagnetiche che possono trasportare informazioni a distanza. elettroni che oscillano su e giù Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 37 Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo Indice Lo spettro delle onde elettromagnetiche lunghezza d’onda crescente energia crescente raggi gamma luce ultravioletto visibile infrarosso microonde raggi X esplosione radiografia di supernova lampada UV lampadina foto all’IR cottura a microonde onde radio telecomunicazioni Tutte le onde elettromagnetiche dello spettro: • sono prodotte dai campi elettrico e magnetico che oscillano insieme • si propagano anche nel vuoto • viaggiano alla velocità della luce Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011 38
