Effetto termico della corrente elettrica
La trasformazione di energia elettrica in energia termica viene detta effetto termico della corrente o effetto Joule. Molti
apparecchi utilizzano questo effetto per riscaldare l’acqua: un avvolgimento metallico (detto resistenza) immerso
nell’acqua è percorso dalla corrente elettrica. Il calore che si sviluppa nella resistenza fa aumentare la temperatura
dell’acqua. Per il principio di conservazione dell’energia, possiamo assumere che l’energia termica che si misura nel
calorimetro sia uguale, a parte le dispersioni che trascureremo, all’energia elettrica trasformata dalla corrente.
Scopo: verificare la proporzionalità diretta tra l'energia elettrica prodotta dal passaggio di una corrente elettrica in una
resistenza e il calore acquistato da un calorimetro; determinare l'equivalente elettrico del calore, confrontando il
risultato sperimentale ottenuto con il valore previsto
Materiale occorrente:
calorimetro ad acqua con agitatore, acqua distillata, riscaldatore elettrico a immersione, generatore a bassa tensione,
cavi di collegamento, termometro, cilindro graduato, cronometro, amperometro e voltmetro
Procedimento:
Si riempie il calorimetro con una quantità nota d’acqua distillata, misurata mediante il
cilindro graduato.
Si immerge la bobina di riscaldamento nell’acqua e si chiude il calorimetro.
A circuito aperto, si collega il generatore, si inseriscono (attenzione!) nel circuito
l’amperometro e il voltmetro (il primo in serie e il secondo in parallelo).
Si infila il termometro nel calorimetro e si misura la temperatura iniziale dell’acqua.
Si chiude il circuito (quindi comincia a passare la corrente elettrica), facendo partire il
cronometro e agitando l’acqua di tanto in tanto.
Si misurano la tensione applicata e l’intensità di corrente che passa nel circuito.
Orientativamente ogni 30 s si legge la temperatura raggiunta dall’acqua nel
calorimetro, annotando le misure effettuate (date le differenti sensibilità degli
strumenti, conviene in effetti indicare l’istante di tempo in cui il termometro risulta
facilmente leggibile, per esempio in corrispondenza del passaggio per una indicazione
della scala).
Durante l’esperimento si controlla che i valori segnati dagli strumenti elettrici non
varino in maniera significativa.
Quando l’acqua raggiunge la temperatura di circa 50-60°C, si esegue l’ultima misura
e si spegne il circuito.
Riporta le misure di tempo e di temperatura effettuate nelle prime due colonne di una tabella come quella seguente.
Non dimenticare di segnare anche i valori delle grandezze misurate che non cambiano durante l’esperimento: massa
di acqua nel calorimetro ed equivalente in acqua del calorimetro, intensità di corrente elettrica (sull’amperometro),
tensione applicata al riscaldatore (sul voltmetro).
tempo
(s)
Temperatura
(°C)
∆T=T-Tiniziale
(°C)
Eelettrica
(joule)
Q
(caloria)
equivalente meccanico
della caloria
(joule/caloria)
Elaborazione dei dati e conclusioni:
a) Completa la tabella con i calcoli indicati: l’energia elettrica ceduta dal riscaldatore elettrico [ Eelettrica =i·V·t, dove i è
l'intensità della corrente, letta sull'amperometro, V la d.d.p., letta sul voltmetro e t il tempo trascorso dall'inizio
dell'esperimento]; la quantità di calore assorbita dall’acqua [tramite la legge fondamentale della termologia Q=mc∆T,
dove c è il calore specifico dell’acqua, m è la sua massa compreso l’equivalente del calorimetro, ∆T è la variazione di
temperatura subita dall’acqua dall'inizio dell'esperimento]; il rapporto tra energia elettrica e calore.
b) Traccia il grafico del calore prodotto in funzione dell’energia elettrica: si tratta di grandezze direttamente
proporzionali? Da cosa lo deduci? Quanto vale la pendenza della retta? Cosa rappresenta?
c) Determina la media e l’incertezza assoluta e percentuale nell’ultima colonna. Qual è il significato fisico del rapporto
calcolato? Calcola la differenza percentuale tra il valore ottenuto e il valore previsto. Se potessi valutare le dispersioni
di calore, l'accordo migliorerebbe? (motiva la risposta)
d) Ripeti l’esperimento modificando qualche parametro (quantità di acqua, corrente elettrica...). Rielaborando i nuovi
dati, puoi giungere alle stesse conclusioni?
e) Confronta questo esperimento con quello relativo alla trasformazione del lavoro meccanico in calore: commenta i
risultati ottenuti.
