g2 – materiali ferromagnetici e non-ferromagntici

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Università di Udine – Unità di Ricerca in Didattica della Fisica
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17 – RISCALDATORI ELETTRICI
Un aumento dell’energia interna è ottenuto mediante
il riscaldamento di un cilindro di alluminio con una
corrente elettrica fatta passare mediante una
resistenza collocata all’interno del cilindro di
alluminio. Per ridurre dispersioni di energia con
l’ambiente, si inserisce il cilindro di alluminio tra due
blocchi di polistirene espanso.
Si confrontano la variazione di energia interna
U=Q con il lavoro elettrico L=VIt, che
nell’intervallo di tempo t viene svolto dalla tensione
V che fa circolare la corrente I nel resistore scelto. Si
può riconoscere il legame tra la variazione di energia
interna con diverse grandezze V, I, t ossia con
l’energia elettrica.
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18 – MANOTORCE
Sono semplici torce che generano tensione
muovendo più o meno rapidamente delle
calamite all’interno di avvolgimenti elettrici, la
forza elettromotrice indotta permette di avere
una corrente all’interno di un circuito e quindi di
accendere una lampadina.
Queste
torce
permettono
di
mostrare
trasformazioni di energia chimica (del corpo
umano) in energia di movimento, poi in energia
elettrica e infine energia luminosa.
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19 – DINAMO
Questa dinamo funziona con una manovella che permette di
far girare un magnete all’interno di un avvolgimento elettrico.
La dinamo è inserita in un semplice circuito costituito da un
interruttore e da una lampadina o, in alternativa, da un
mulinello a due pale.
Il movimento del magnete crea una forza elettromotrice indotta
e se l’interruttore è chiuso si ha una corrente elettrica
evidenziata dall’accensione di una lampadina o dal movimento
del mulinello.
Girando nel verso opposto la manovella, anche il verso della
forza elettromotrice indotta risulterà opposto, pertanto si può
osservare la rotazione invertita nel mulinello.
Il campo magnetico generato dalla corrente produce un campo
magnetico che ostacola il moto della calamita e quindi si sente
fatica nel girare la manovella.
Diversamente, se il circuito è aperto non c’è corrente e quindi
non si sente fatica, la manovella “gira a vuoto”.
Nel circuito chiuso si ha una trasformazione di energia chimica
(corpo umano) in energia elettrica e quindi in energia luminosa
o energia cinetica nel caso del mulinello.
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20 – CALORICHE PRESSIONI
In una normale pompa di bicicletta viene inserito
nel foro di sfiato un sensore di temperatura
interfacciato con il computer.
Pompando “a vuoto”, il sensore non mostra un
riscaldamento significativo, diversamente, se
otturiamo il foro di uscita della pompa, la
compressione dell’aria provoca un evidentissimo
aumento della temperatura nel grafico del
sensore visualizzato su monitor.
La trasformazione di energia è dalla forma
chimica (corpo umano) alla forma energia
interna dell’aria compressa.
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21 – REAZIONI ELETTROENERGIZZANTI
Due semicelle sono collegate da un foglio di
carta da filtro o altro materiale poroso. Nella
prima, una lastra di rame è immersa in una
soluzione di solfato di rame di colore azzurro.
Nella seconda, una lastra di zinco è immersa in
una soluzione di solfato di zinco, incolore.
Quando il circuito viene chiuso, il tester collegato
in serie con la cella segna il passaggio di
corrente e la soluzione colorata dopo qualche
tempo tende a scolorire. Gli ioni rame,
provenienti dal solfato di rame in soluzione, si
vanno a depositare sulla lastra di rame. Gli ioni
zinco, provenienti dalla seconda cella,
sostituiscono nella soluzione gli ioni rame.
Poiché sono incolori, la soluzione diventa
incolore.
Trasformazione di energia chimica in energia
elettrica
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22 - ORTOFRUTTA ELETTROENERGIZZANTI
Una micropila casalinga si fa con più frutti e/o ortaggi e
una coppia di metalli diversi come elettrodi: zinco e rame.
Se si collegano in serie due limoni, due arance, due
melanzane o due patate si può rilevare il passaggio di
corrente per mezzo di un tester.
Si ha passaggio di corrente solo con elettrodi di metalli
diversi. La pila si esaurisce dopo un po’ di tempo.
Trasformazione di energia chimica in energia elettrica.
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23 – GRATTA ENERGIA
In un cubetto di alluminio viene inserito un sensore di
temperatura interfacciato ad un computer. Si prende il
cubetto con una molletta di legno per biancheria (o guanti
di lana) e lo si strofina su un foglio di carta abrasiva. Sul
monitor del computer si osserva nel grafico del sensore
un evidente aumento di temperatura.
La trasformazione di energia osservata è dalla forma
chimica (corpo umano) a quella di movimento e infine in
energia interna del cubetto.
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24 – TERMOGENERATORE
Il termo-generatore è un dispositivo nel quale viene sfruttato
l’effetto termoelettrico (effetto Seebeck) per trasformare
l’energia interna in energia elettrica.
Il termogeneratore è essenzialmente formato da un blocchetto
ceramico nel quale sono inserite sbarrette di silicio drogato (n-p
e p-n), costituenti termocoppie collegate in serie.
La forza elettromotrice che si ottiene dipende dalla differenza di
temperatura fra le giunzioni a contatto con le superfici superiore
e inferiore del blocchetto.
Mettendo del ghiaccio sotto il dispositivo e il palmo della mano
nella parte superiore del blocchetto, si ottiene una differenza di
temperatura che genera una forza elettromotrice sufficiente a
mettere in moto un piccolo mulinello a due pale. La differenza di
temperatura varierà al cambiare della persona (diversa energia
interna), osservando una diversa velocità di rotazione del
mulinello (energia cinetica).
Invertendo la differenza
di temperatura si inverte
la forza elettromotrice e
il verso di rotazione del
mulinello.
Il
dispositivo
può
lavorare
anche
invertendo
la
trasformazione
di
energia,
ossia,
applicando
una
tensione continua ai
suoi terminali si genera una differenza di temperatura (effetto
Peltier) fra le superfici superiore e inferiore del blocchetto.
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25 – MOTORE DI STIRLING
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27 - MACCHINA DI SAVERY
L’apparato rappresenta una riproposizione della macchina storica di Savery
(1698), concepita per risolvere il problema della presenza di acqua nelle
gallerie delle miniere inglesi.
Come nella macchina originaria, la riproduzione ha lo scopo di innalzare
l’acqua mediante la formazione di una zona di depressione.
Un pallone di vetro, contenente acqua, viene introdotto in un forno elettrico
che funge da “caldaia”. Un tubicino, che attraversa un rubinetto, collega il
pallone ad una beuta piena d’acqua. Quindi, da questa abbiamo due tubicini
che escono dalla beuta, uno diretto verso il basso nella vaschetta con acqua
(simula la miniera) e l’altro diretto verso un recipiente superiore (serbatoio di
raccolta). Entrambi i tubicini attraversano altrettanti rubinetti.
Inizialmente, solo il rubinetto del tubicino che collega la beuta alla vaschetta
d’acqua è chiuso. Quando l’acqua del
pallone entra in ebollizione, la
pressione del vapore spinge l’acqua
contenuta nella beuta dentro il
serbatoio superiore. Una volta che la
beuta si è riempita di vapore, si sposta
il pallone dal forno elettrico e si
chiudono i rubinetti dei raccordi tra
beuta e pallone e tra beuta e serbatoio
superiore, diversamente si apre quello
del raccordo con la vaschetta d’acqua.
A causa del raffreddamento della beuta
e la successiva condensa, l’acqua della
vaschetta viene risucchiata nella beuta.
Successivamente, azionando i rubinetti,
si trasferisce l’acqua nel serbatoio
superiore ricominciando il ciclo.
In questo apparato, le trasformazioni di
energia sono diverse, energia interna,
energia potenziale, energia cinetica.
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28 – PAPERO BEVITORE
Il papero è costituito da due cavità sferiche collegate fra loro tramite un
tubetto che fa da "collo" per il papero. Il papero è libero di oscillare attorno ad
un asse orizzontale posto circa a metà altezza. La cavità inferiore è riempita
con un liquido colorato la cui tensione di vapore dipende fortemente dalla
temperatura; la cavità superiore (il "becco" del papero) è ricoperta con del
feltro in grado di assorbire acqua.
Se il becco del papero è asciutto, tutto il liquido
colorato rimane all'interno della cavità inferiore: il
baricentro del sistema si trova in questo caso al
di sotto dell'asse di rotazione. Il risultato è che la
forza peso genera una coppia che tende a
riportare il papero nella posizione verticale di
equilibrio stabile.
Bagnando il feltro che ricopre il becco, si osserva
che il liquido colorato inizia a risalire lungo il
collo. A causa di questa risalita, il baricentro del
papero si sposta verso l'alto, fino a trovarsi al di
sopra dell'asse di rotazione. A questo punto, il
momento della forza peso farà inclinare la testa
del papero verso il basso.
Infine, quando il becco urta il bicchiere, il tubetto si è inclinato a tal punto da
non "pescare" più nella cavità inferiore. Ne consegue che il liquido rifluirà
immediatamente verso il basso ed il papero tornerà in posizione verticale.
Il liquido colorato inizia a salire grazie
all'evaporazione dell'acqua dal feltro,
la temperatura della testa si abbassa
di qualche grado rispetto al resto del
papero. La pressione dovuta alla
tensione di vapore del liquido nella
parte superiore e nel tubicino diventa
quindi più bassa di quella nella cavità
inferiore. Questa differenza di
pressione spinge in alto il liquido
lungo il tubicino.
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30 – LAMPADE A CONFRONTO
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