POSTAZIONE 5: PILA, ENERGIA ELETTRICA IN TASCA

POSTAZIONE 5: PILA, ENERGIA ELETTRICA IN TASCA
APPROFONDIMENTI
1. Risposta alle domande
Per avere luce occorre energia?
Cosa sappiamo? Per accendere la luce in casa dobbiamo collegarla alla rete elettrica, in bicicletta
dobbiamo pedalare per far funzionare la dinamo o mettere le pile nel fanale a LED.
La materia è fatta di piccole particelle. Quando diamo energia a queste particelle (un po’ come se le
lanciassimo in alto) esse dopo un po’ tornano nella situazione iniziale e restituiscono l’energia che
avevano ricevuto sotto forma di luce. Ci sono vari modi per dare energia a queste particelle: scaldando
direttamente il materiale con una fiamma, facendo passare della corrente elettrica, collegando dei fili
come nelle lampadine a incandescenza o nei LED o facendo passare una scarica elettrica come nei tubi al
neon. In generale occorre quindi sempre fornire energia. A volte però questa energia si trasforma solo in
parte in luce perché si produce contemporaneamente anche tanto calore.
Come fa a passare la corrente?
Cosa sappiamo? Per far funzionare gli apparecchi elettrici occorre collegare dei fili alle prese di corrente.
Nel caso di una pila essa deve essere inserita negli appositi spazi dove ci sono dei contatti metallici e
occorre posizionarle secondo le indicazioni delle polarità.
Proviamo a capire prendendo l’esempio di un fiume. Per far scorrere un fiume ci vuole, oltre all’acqua,
anche una certa pendenza perché altrimenti l’acqua ristagna e non scorre. Analogamente per far
passare una corrente ci vogliono delle cariche elettriche libere di muoversi e una causa che le faccia
muovere. Quest’ultima si chiama tensione elettrica ed è quella che si genera ai capi di una pila o di un
generatore elettrico (ad es. una dinamo).
Affinché passi la corrente ci vogliono quindi delle cariche
elettriche libere. Queste si trovano nei conduttori metallici (fili
elettrici) o nelle soluzioni saline (nell’acqua del rubinetto, ma
non in quella distillata). Anche i gas conducono quando sono
soggetti a scariche elettriche come ad esempio i fulmini nell’aria.
Altre sostanze come la plastica o il legno secco non conducono la
corrente, infatti i fili elettrici sono proprio ricoperti di plastica
per non prendere la scossa quando vengono toccati.
Ma anche noi siamo conduttori? Sì, perché la nostra pelle non è
secca ma umida e ricca di soluzioni saline.
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Pile e generatori sono i dispositivi che ci permettono di disporre di energia elettrica in casa e in …
tasca.
Le pile trasformano l’energia chimica in energia elettrica sfruttando il passaggio di cariche elettriche tra
due metalli diversi attraverso una soluzione salina. La prima pila fu inventata da Alessandro Volta alla
fine del 1799 e fu resa nota in una lettera alla Royal Society nel marzo 1800. Il nome “pila” viene dal
fatto che Volta la costruì “impilando” tre elementi che si ripetevano: dischi di zinco, di rame e di stoffa
imbevuta di acqua salata. Quando le estremità della pila venivano collegate da un filo conduttore si
creava un circuito in cui passava corrente in modo continuo.
Generatore elettrico
I generatori elettrici trasformano energia meccanica di rotazione in energia elettrica. Il funzionamento
del generatore si basa sull’induzione elettromagnetica scoperta da Michael Faraday: nel 1831 egli scopri
come ricavare la corrente elettrica dal movimento di fili metallici in presenza di campi magnetici. In
particolare nel generatore avviene che ai capi di una bobina di filo metallico che ruota in un campo
magnetico si produce una tensione che permette, chiudendo il circuito, di far circolare una corrente
elettrica. Come quella che agisce tra due calamite, in presenza di un campo magnetico, una forza agisce
anche sulle cariche elettriche in movimento all’interno del filo del generatore. Quindi occorrono campo
magnetico (calamite) e il movimento di un conduttore (il rotore del generatore).
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2. Che cosa ne pensano Gaia e Fiammetta
Che invenzione geniale, grazie a pile e generatori abbiamo sempre a disposizione tutta
l’energia che vogliamo!
Alessandro Volta e la scoperta della pila
La pila, antenata delle attuali batterie, fu inventata da Alessandro Volta alla fine del XVIII secolo e fu una
vera rivoluzione! Infatti, molti dei dispositivi portatili che noi attualmente usiamo (cellulari, tablet, torce,
macchine fotografiche digitali, ecc.) funzionano grazie alle moderne batterie. Oggi sarebbe impensabile
un mondo senza batterie!
Tornando a Volta, la pila che inventò fu il primo generatore di elettricità, ovvero un dispositivo in grado
di produrre energia elettrica a partire da un’altra forma di energia e capace di produrre corrente
costante nel tempo.
In seguito alla prima pila si susseguirono diverse modifiche e innovazioni fino a giungere alle batterie che
tutti noi oggi conosciamo.
Le batterie di oggi, forme e dimensioni per tutti i gusti…
Oggi esistono diversi tipi di batterie con svariate dimensioni e forme ad esempio cilindriche, a forma di
prisma o di bottone. Inoltre, alcune sono ricaricabili e altre no. Infine si possono distinguere le pile anche
in base alle materie prime impiegate nel fabbricarle (ad esempio zinco, litio, manganese, nichel, cadmio
o piombo – le più inquinanti). Il loro uso è sempre più diffuso.
Una compagna di viaggio quasi sempre con noi
L’utilizzo di batterie e accumulatori diventa ogni anno sempre maggiore tuttavia, in Svizzera, il loro peso
smerciato complessivo rimane più o meno costante sulle 3'500 t. Come si spiega questa apparente
contraddizione? Il motivo va ricercato nel fatto che le batterie e gli accumulatori diventano sempre più
leggeri ed efficienti. A questo si aggiunge anche il fatto che il consumo energetico dei nuovi apparecchi
tende ad essere minore, quindi tendono anch’essi ad essere più efficienti.
Ma attento alle conseguenze, rifiuti, inquinamento e conflitti sono l’altra faccia
della medaglia.
Produrre batterie costa, in tutti i sensi…
Per produrre le batterie si consumano molte risorse di un certo valore e spesso si utilizzano anche
sostanze chimiche inquinanti. Se a questo aggiungiamo il fatto che le pile non convengono dal punto di
vista economico per chi le acquista perché sono adatte solo ad un uso sporadico e limitato, gli aspetti
negativi diventano non trascurabili.
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Tanti rifiuti e per di più speciali: ricicliamoli!
Come già descritto in precedenza nel nostro paese sono vendute annualmente 3'500 tonnellate di
batterie. Queste sono di varie forme e dimensioni e servono ai più svariati usi. Vista la loro
composizione, soprattutto poiché contengono anche sostanze inquinanti, è fondamentale riciclarle. Le
batterie sono infatti considerate dei rifiuti speciali, dei rifiuti cioè che per le loro proprietà chimiche o
fisiche non possono essere raccolti ed eliminati assieme ai rifiuti solidi urbani (quelli che vanno nel sacco
dell’indifferenziata). Grazie alle operazioni di riciclaggio, diversi materiali di cui sono composte le
batterie possono essere riutilizzati sia per ridurre il consumo energetico e le emissioni di CO2 derivanti
dalla produzione di nuove batterie sia per evitare che le sostanze inquinanti, come i metalli pesanti quali
zinco e piombo, finiscano nell’ambiente inquinandolo. Per esempio, riciclare una tonnellata di batterie e
accumulatori permette di evitare un inquinamento ambientale pari a quello provocato da 2'652 litri di
olio da riscaldamento (Fonte: inobat.ch). In alcuni tipi di pile vi è inoltre ancora del mercurio, sostanza
molto pericolosa. Anche se il suo contenuto è minimo se non smaltito correttamente può essere molto
dannoso per l’ambiente: un grammo di mercurio può infatti inquinare ben 1'000 litri d’acqua! Per
fortuna quasi tutte le attuali batterie usa e getta non lo contengono più e sono meno nocive per
l’ambiente.
Tuttavia nonostante il riciclaggio di questi oggetti sia fondamentale, in Svizzera, così come nelle altre
nazioni, non si riescono a raccogliere tutte le batterie vendute. A titolo d’esempio, la quantità
complessiva raccolta e riciclata nel 2014 ammontava al 71, 4% .
Ma come funziona il riciclaggio?
Il riciclaggio delle batterie è suddiviso in diversi passaggi. Si incomincia eliminando le impurità e
dividendo le batterie per dimensioni e tipologia. Successivamente le batterie vengono triturate in piccoli
pezzi in modo da poter separare i vari materiali di cui sono composte: pasta di batterie, materiali ferrosi,
carta, plastica. In seguito la pasta di batterie viene lavata e uno speciale trattamento chimico permette
di separare i metalli e di recuperare i vari elementi riutilizzabili.
La natura preferisce le batterie ricaricabili
Le batterie ricaricabili sono batterie fatte per essere ricaricate e quindi usate più volte. Ciò avviene
grazie a degli appositi caricatori portatili che funzionano se collegati a una presa elettrica. I vantaggi
derivanti dall’uso di queste batterie sono molti sia ambientali, grazie alla produzione minore di rifiuti e al
consumo più contenuto di sostanze pericolose, sia economici perché il loro uso prolungato riduce i costi
rispetto al continuo acquisto di batterie usa e getta. Tuttavia, anche le batterie ricaricabili perdono
efficacia con il tempo e l’usura e devono quindi alla fine essere anche loro sostituite.
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3. Cosa fare in classe
Pila a bicchieri
Cosa occorre: 5 o 6 bicchieri riempiti con acqua e sale, 5 o 6
placchette di rame e di zinco, fili elettrici, una lampadina a
LED. Collegare la lampadina con i fili e creare un circuito in
questo modo: lampadina-filo-rame-bicchiere-zinco-filo-ramebicchiere-zinco-…-ecc-filo-lampadina. Il LED dovrebbe
accendersi!
Pila a patate
Proviamo a costruire una pila di Volta. Cosa occorre: patate a
fette, placchette di rame e zinco, fili elettrici, LED.
Con lo stesso principio descritto prima alternare placchette di
rame e zinco intercalate dalle fette di patate. Chiudere il
circuito con dei fili elettrici collegati alla lampadina.
Esistono in commercio diversi orologi a patate (o a limoni) in alcune confezioni di giochi scientifici per
bambini. Non costano molto ma sono istruttivi e divertenti da costruire. Il loro funzionamento è
semplice, che si tratti di una patata, di una mela o altro la nostra pila casalinga funziona perché tra i
pezzi di rame e di zinco si inserisce una sostanza che contiene dei sali in soluzione (come la patata o il
limone). In effetti funzionano anche se si toccano contemporaneamente le due coppie di rame e zinco
con le dita umide.
Energy stick
Come spiegato nella scheda, l’Energy Stick è un simpatico gioco che ci
permette di sperimentare i circuiti elettrici. Al suo interno si trovano
delle pile e un circuito elettronico che sente quando i due anelli di
metallo sono entrambi a contatto con un conduttore elettrico. Quando
si chiude il circuito la corrente può passare e le lucine si accendono (è
come se accendiamo un interruttore!), quando invece il circuito è
aperto la corrente non può circolare e il gioco è spento. Da notare che
stiamo parlando di minime quantità di corrente, non c’è alcun pericolo!
Per vedere chi o cosa conduce la corrente, possiamo inserire degli
oggetti metallici o di altro materiale nel circuito e distinguere perciò i
conduttori dagli isolanti.
Ad esempio, una matita di legno conduce la corrente? E se tocchiamo solo la sua mina?
Esistono diversi giocattoli in commercio che funzionano in questo modo semplicissimo: quando la
corrente passa tra un metallo e l’altro si accendono, altrimenti restano spenti.
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Per approfondire
Parte scientifica
PALLOTTINI, Giovanni Vittorio. Elettricità [voce enciclopedica online]. In : Treccani la cultura italiana.
Data di pubblicazione 2005. Disponibile all’indirizzo:
http://www.treccani.it/enciclopedia/elettricita_%28Enciclopedia_dei_ragazzi%29/ (consultato il
30.09.2015)
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA . La pila di Volta [pagina web]. In : Non è magia è chimica. Data di
pubblicazione 2015. Disponibile all’indirizzo:
http://www.chimica.unipd.it/chimica-non-magia/in_laboratorio/exp_lapiladivolta.htm (consultato il
30.09.2015)
VOLTA, Alexander. On the Electricity Excited by the Mere Contact of Conducting Substances of
Different Kinds. In a letter from Mr. Alexander Volta, F.R.S. Professor of Natural Philosophy in the
University of Pavia, to the Rt. Hon. Sir Joseph Banks, Bart. K.B.P.R.S. [articolo elettronico]. In :
Philosophical Transactions. 1800 90, p. 403-431. Disponibile all’indirizzo:
http://rstl.royalsocietypublishing.org/content/90/403.full.pdf+html (consultato il 30.09.2015)
Articolo originale di Volta in francese.
Parte ambientale
AAVV. INOBAT.ch [sito web]. [s.d.]. Disponibile all’indirizzo: http://www.inobat.ch/it/index.php
(consultato il 30.09.2015)
CENTRO DI CULTURA SCIENTIFICA ALESSANDRO VOLTA. La pila [pagina web]. In : sito del museo
Alessandro Volta. [s.d.]. Disponibile all’indirizzo: http://alessandrovolta.it/musei-e-mostre/museipermanenti/tempio-voltiano-como/
(consultato il 30.09.2015)
GIORGI, Giovanni. Pila [voce enciclopedica online]. In : Treccani la cultura italiana. Data di pubblicazione
1935. Disponibile all’indirizzo: http://www.treccani.it/enciclopedia/pila_%28Enciclopedia-Italiana%29/
(consultato il 30.09.2015)
PAROLINI, Giuditta. Alessandro Volta [voce enciclopedica online]. In : Treccani la cultura italiana. Data di
pubblicazione 2006. Disponibile all’indirizzo: http://www.treccani.it/enciclopedia/alessandrovolta_%28Enciclopedia-dei-ragazzi%29/ (consultato il 30.09.2015)
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