http://www.tuttoscienze.org/2010/03/osservare-ifenomeni-elettrici-e.html
Apprendimento unitario da promuovere. L’alunno comprende la natura dei
fenomeni elettrici e magnetici, individuandone la relazione e i principali effetti.
Compito unitario in situazione. Realizzare, in coppia con un compagno, uno o più
circuiti elettrici utilizzabili in una situazione concreta scelta a piacere (ad esempio per
gli addobbi luminosi di una festa) e illustrarne il funzionamento alla classe.
Obiettivi formativi con standard d’apprendimento.
L’alunno è in grado di:
1.
definire un corpo elettrizzato e illustrare i differenti tipi di elettrizzazione;
2.
distinguere tra conduttori e isolanti;
3.
spiegare che cos’è la corrente elettrica e le principali grandezze elettriche;
4.
descrivere un circuito elettrico, enunciare e spiegare le leggi di Ohm;
5.
descrivere gli effetti della corrente elettrica;
6. spiegare che cos’è un magnete e descrivere le interazioni tra elettricità e
magnetismo.
Articolazione degli obiettivi formativi rispetto al livello di accettabilità
1. Sa spiegare con linguaggio semplice che un corpo è elettrizzato quando
nei suoi atomi viene a mancare l’equilibrio tra elettroni e protoni; sa
rappresentare schematicamente come un corpo si elettrizza per strofinio,
contatto, induzione.
2. Dimostra di riconoscere i conduttori e gli isolanti, quando ad esempio il
docente (o un compagno) gli chiede di procurare un filo conduttore, da
utilizzare nella realizzazione di un circuito, oppure del materiale per isolare i
fili di rame.
3. Sa spiegare, utilizzando una terminologia semplice ma specifica, che la
corrente elettrica è generata dal movimento di cariche elettriche all’interno
di un conduttore quando tra i suoi poli si stabilisce una differenza di
potenziale; nelle attività di gruppo, sa leggere su un amperometro l’intensità
di corrente che fluisce in un circuito elettrico.
4. Riconosce, denominandoli esattamente, i principali elementi di un
circuito elettrico già predisposto; dimostra di conoscere le leggi di Ohm
quando, illustrando il funzionamento di un circuito realizzato in gruppo,
afferma che intensità, differenza di potenziale e resistenza sono grandezze
collegate e che la resistenza dipende da come è fatto un circuito.
5. Rispondendo a domande specifiche del docente, sa dire, ad
esempio, che la stufetta elettrica sfrutta l’effetto termico o che
l’elettrolisi dell’acqua sfrutta l’effetto chimico della corrente elettrica.
6. Sa svolgere semplici esperimenti sulla magnetizzazione dei corpi:
ad esempio, sa dimostrare che l’acciaio si magnetizza in modo
permanente se viene strofinato con una calamita. Sa illustrare in modo
essenziale il funzionamento del campanello elettrico, costruito con
l’aiuto del docente di tecnologia.
Attività laboratoriali.
I temi dell’elettricità e del magnetismo ben si prestano ad essere trattati mediante
un approccio sperimentale. Si possono, infatti, allestire senza difficoltà diverse
esperienze, utilizzando materiale “povero” grazie al fatto che i fenomeni
elettromagnetici sono facilmente osservabili sia in natura che nella maggior parte
degli apparecchi elettrodomestici, utilizzati nella vita di tutti i giorni.
Il contributo del docente di tecnologia risulterà particolarmente prezioso
nell’ideazione e costruzione di pile e circuiti elettrici da realizzare con i ragazzi.
L’ipotesi progettuale propone un apprendimento unitario da promuovere
pragmaticamente per far sì che risulti dotato di senso per i giovani alunni.
L’acquisizione di tale intero di apprendimento dovrà trasformare gli OSA nelle
competenze personali degli allievi, grazie ad una scelta di soluzioni organizzative e
di tempi calibrati sulla realtà in cui si opera.
1° FASE: “Rifletti su alcuni fenomeni che conosci”
Si introdurrà l’argomento facendo riflettere i ragazzi su alcuni fenomeni noti dalla vita
quotidiana:
- La “scossa” che si prende quando si tocca la portiera dell’automobile.
- Le “scintille” che scoccano quando ci si toglie un maglione.
- I capelli che si “rizzano” in testa quando ci si pettina con una spazzola di nylon.
- I fulmini che si osservano durante i temporali.
Si chiederà ai ragazzi di formulare delle ipotesi per spiegare tali comportamenti
attingendo alle loro conoscenze pregresse circa la costituzione atomica della materia
(protoni ed elettroni, cariche elettriche positive e negative). Suscitato l’interesse e avviata
la discussione, si procederà con l’indagine circa l’elettrizzazione dei corpi.
2° FASE: “Osserviamo come si elettrizzano i corpi”
Dopo essere giunti tutti insieme alla conclusione che un corpo è elettricamente carico, o
elettrizzato, quando possiede un eccesso di elettroni o di protoni, il docente appronterà
diverse attività sperimentali per far osservare agli alunni che l’elettrizzazione avviene per
strofinio, contatto o induzione.
3° FASE: “Tutte le sostanze hanno la stessa forza di attrazione?”
Si farà verificare agli alunni, mediante attività operative mirate, che non tutti i materiali
attraggono gli elettroni con la stessa forza e che essi si classificano in conduttori e
isolanti a seconda che attraggano debolmente o intensamente i loro elettroni.
4° FASE: “La corrente elettrica, i circuiti elettrici e le leggi di Ohm”
Dopo aver considerato le cariche elettrostatiche, si tratteranno le cariche elettriche in
movimento, che danno origine al fenomeno della corrente elettrica, per il cui utilizzo è
necessario l’impiego dei circuiti elettrici. Le attività sperimentali, da svolgere con gli alunni,
devono condurre questi a comprendere che il circuito elettrico è un percorso chiuso in cui
circola corrente, perché tra le sue estremità è presente una differenza di potenziale.
Allo scopo, si evidenzieranno gli elementi fondamentali di un circuito: generatore,
utilizzatore, conduttore e interruttore.
In collaborazione con il docente di Tecnologia, saranno realizzati modellini di circuiti in
serie e in parallelo; si potrà anche studiare il funzionamento di apparecchiature elettriche
nel processo produttivo. Si tratteranno, inoltre, il concetto di resistenza elettrica e, in
particolare, le leggi di Ohm.
Per i gruppi di eccellenza, si approfondirà la trattazione formale della 1° e della 2° legge di
Ohm.
5° FASE: “Osserviamo gli effetti della corrente elettrica”
Gli alunni hanno appreso nelle fasi precedenti del percorso formativo che ogni conduttore
presenta una certa resistenza elettrica la quale ostacola il movimento degli elettroni al suo
interno; la resistenza è in un certo senso analoga all’attrito e, come conseguenza, determina
sviluppo di calore nel conduttore. Tale fenomeno è noto come effetto termico o effetto
Joule, dal nome del fisico inglese J. P. Joule (1818-1889) che lo scoprì.
Si evidenzierà che alcuni elettrodomestici, come l’asciugacapelli, il ferro da stiro, la stufetta
elettrica, funzionano proprio in base alla presenza di conduttori ad elevata resistenza o
resistenze elettriche.
Si affronteranno, infine, sempre sperimentalmente gli effetti chimico e magnetico della
corrente elettrica. In particolare, per l’effetto magnetico si metterà in evidenza come
elettricità e magnetismo si influenzino a vicenda.
Analisi dei risultati:
- Quando il circuito è chiuso e le bacchette sono immerse in
acqua distillata, la lampadina si accende? Sì No
- L’acqua distillata conduce/non conduce corrente.
- Quando le bacchette sono immerse nella soluzione, a
circuito chiuso, la lampadina si accende? Sì No
- La soluzione conduce/non conduce corrente.
- Alle estremità delle bacchette immerse nella soluzione si
formano delle……………………….di gas, indice che stanno
avvenendo delle reazioni chimiche.
6° FASE: “Osserviamo i fenomeni magnetici”
Lo studio degli effetti provocati dalla corrente elettrica ha fatto rilevare agli alunni la
relazione esistente tra elettricità e magnetismo. Oltre ad osservare il comportamento dei
magneti, sia naturali che artificiali, e i differenti procedimenti di magnetizzazione, si
potranno approfondire, se il contesto della classe lo consente, gli aspetti storici connessi
agli esperimenti di Oersted ( 1777-1851), che verificò sperimentalmente il legame tra i
fenomeni elettrici e quelli magnetici dando inizio ad una nuova branca della Fisica chiamata
“elettromagnetismo”. Altri approfondimenti potrebbero riguardare lo studio del campo
magnetico terrestre, la bussola, l’induzione elettromagnetica e gli esperimenti di Faraday,
che nel 1831 dimostrò come un campo magnetico in movimento crei una corrente
elettrica. Con la collaborazione del docente di Tecnologia si potrebbe studiare
specificamente il funzionamento dell’elettrocalamita, della dinamo e dell’alternatore.
Si propongono alcune attività sperimentali da svolgere con gli alunni.
Introdurre l’elettricità e collegamento con
tecnologie
Cosa intendiamo per elettricità?
Si può rispondere più o meno così:
elettricità è ciò che “scorre” nei fili di un
cavo di un apparecchio elettrico - se
l’apparecchio è accesso.
Ci possiamo immaginare l’elettricità come
un qualcosa che si trova da qualche parte
e che da un punto può raggiungerne
un altro.
L’elettricità ha un
ruolo importante
nella tecnica. Le
applicazioni
possibili si dividono
in due grandi
categorie.
Solitamente di un
corpo si può dire se
ha quantità di
moto o no: lo
vediamo dal fatto che
si muova o meno
Ma non abbiamo nessun
organo di senso
predisposto a percepire il
contenuto di elettricità di
un oggetto.
Percepiamo l’elettricità
quando prendiamo la
scossa, ma ovviamente
vogliamo evitarlo perché è
pericoloso/fastidioso.
• Una classe di applicazioni ha a che fare con la possibilità data
dall’elettricità di trasmettere e immagazzinare energia. Infatti l’elettricità è
un portatore di energia molto pratico. Di conseguenza, molti apparecchi
elettrici servono a trasferire l’energia dall’elettricità a un altro portatore o
da un altro portatore all’elettricità. Alcuni esempi sono il motore elettrico,
il generatore e tutti gli apparecchi di riscaldamento elettrici.
• Nella seconda classe di applicazioni l’elettricità viene utilizzata per la
trasmissione, l’immagazzinamento e l’elaborazione di dati: di musica, di
testi scritti e parlati, di immagini, numeri e altri segni.
Questo campo della tecnica è detto elettronica.
Costruire un elettroscopio!
L'elettroscopio è uno strumento che
permette di riconoscere se un corpo è
carico elettricamente: è un rivelatore di
carica
http://www.eniscuola.net/mediateca/costruisci-unsemplice-elettroscopio/
Scopo:
• Verifica della proprietà delle
cariche elettriche;
• Capire che si può
elettrizzare un oggetto per
contatto o per induzione;
• Capire cosa si intende per
conduttore e per isolante.
Materiale necessario:
• 15 cm di filo di rame isolato tipo antenna TV;
• Due pezzetti di carta d’alluminio di dimensioni
cm 2x1;
• Un barattolo in vetro con coperchio forabile;
• Pinze, forbici, un punteruolo;
• Biro in plastica, cacciavite, bacchetta in metallo,
carta, filo di rame, un palloncino di gomma
gonfio;
• Panno di lana (per caricare i corpi).
Costruzione
Praticare con un punteruolo un foro nel coperchio del barattolo e far
passare un pezzo di filo per antenna di circa 10 cm. Alle
estremità del filo si deve togliere l’isolante bianco (circa 1 cm) e l’estremità
che finirà all’interno del barattolo deve essere piegata
ad uncino. Si preparano due piccoli foglietti di alluminio (2x1 cm) e si
appendono al gancio di rame creato. Si richiude il barattolo
avendo l’accortezza di far in modo che i fogliettini di alluminio rimangano
sospesi. All’estremità esterna del filo per antenna si mette
una pallina di alluminio.
Conduzione dell’esperimento:
Elettrizzare per strofinio una bacchetta di
plastica o un palloncino e avvicinarlo alla
pallina di alluminio esterna al barattolo si
potranno osservare due cose:
1) Avvicinando, ma NON toccando, la
pallina di alluminio i foglietti interni si
muovono allontanandosi. L’oggetto carico
induce delle cariche sulla pallina di
alluminio che quindi si carica. Le cariche
vengono prelevare dai fogliettini di
alluminio che, essendo carichi della stessa
carica, si allontanano. Non appena
allontaniamo l’oggetto carico i foglietti di
alluminio ritornano nella posizione iniziale
perché le cariche si ridistribuiscono
uniformemente;
2) Avvicinando e TOCCANDO la pallina con
l’oggetto carico i foglietti interni si
allontanano perché le cariche si
trasmettono dall’oggetto carico
all’elettroscopio. Non appena allontano
l’oggetto carico i foglietti rimangono nella
posizione assunta perché, per contatto,
l’elettroscopio si è caricato;
3) Toccare l’elettroscopio carico con diversi
materiali. RISULTATO: Solo alcuni materiali
scaricano l’elettroscopio, altri non lo
modificano. In pratica, biro in plastica,
cacciavite, provetta in vetro e foglio di
carta non scaricano l’elettroscopio; la
bacchetta di metallo e il filo di rame si
comportano nel modo opposto;
4) Toccare l’elettroscopio carico con un
dito. RISULTATO: L’elettroscopio si scarica
(i pezzetti di alluminio si richiudono).
Conclusione:
L’elettroscopio è uno strumento in grado di rilevare la presenza di cariche
elettriche.
Un corpo può essere caricato, oltre che per strofinio, anche per contatto e per
induzione.
Per strofinio i due oggetti che si strofinano tendono a caricarsi positivamente
l’uno e negativamente l’altro a seconda della affinità dei materiali nei confronti
delle cariche positive e negative.
Per contatto un oggetto carico trasferisce all’altro (inizialmente neutro) parte
delle cariche in esso presenti in eccesso.
Per induzione un oggetto si carica a causa di una disomogenea distribuzione di
cariche indotta dalla presenza nelle vicinanze di un oggetto carico.
I vari materiali si comportano nei confronti del passaggio di cariche in modo
differente: quelli che permettono un agevole passaggio delle cariche sono detti
conduttori, quelli che non lo permettono sono detti isolanti.
In realtà non sempre è netta la classificazione, pertanto si parla di buoni e
cattivi conduttori o di buoni e cattivi isolanti.
La corsa delle lattine
Scopo:
Verifica della proprietà dell’induzione
elettrica dei corpi elettrizzati
Materiale necessario:
Palloncino gonfio caricato per strofinio con
panno di lana, lattina di alluminio su piano
liscio
Conduzione dell’esperimento:
Elettrizzare per strofinio il palloncino e
avvicinarlo alla lattina di alluminio senza
toccarla:
La lattina inizia a rotolare perché su di essa
vengono indotte cariche elettriche di segno
opposto a quelle del palloncino.
Conclusione:
Il palloncino carico induce delle cariche sulla
lattina di alluminio che quindi si carica. Le
cariche, di segno opposto, si attraggono e
nasce quindi una forza che fa rotolare la lattina
sul piano.
Il campanello elettrico
Un oggetto caricato elettrostaticamente
attira, per induzione un altro oggetto
Scopo:
Verifica della proprietà dell’induzione
elettrica dei corpi elettrizzati
I conduttori collegati alla “massa”
scaricano i corpi.
Materiale necessario:
Palloncino caricato per strofinio, 2 lattine
di alluminio, una bacchetta isolante
(penna bic), filo da cucito, filo di rame
abbastanza lungo
Costruzione
Si stacca la linguetta di una delle lattine ed appenderla con il filo da cucito alla
penna bic, facendo in modo che il filo da cucito sia lungo la metà dell’altezza
delle lattine.
Si pongono le due lattine ad una distanza di circa 3 cm e si pone la linguetta
sospesa in mezzo alle due lattine. Una delle lattine deve essere collegata tramite
filo di rame ad una massa metallica (infisso metallico o termosifone)
Conduzione dell’esperimento:
Elettrizzare per strofinio il palloncino e
avvicinarlo alla lattina di alluminio non
collegata alla massa metallica toccandola:
1) La lattina si carica elettrostaticamente
per contatto.
2) La linguetta viene attirata dalla lattina
carica per induzione e si avvicina ad essa.
3) Appena la linguetta tocca la lattina si
carica della stessa carica e quindi viene
respinta.
4) La linguetta si muove verso la lattina
collegata alla massa metallica e, non
appena la tocca, si scarica
5) Ricomincia il ciclo da 2.
Campanello di Franklin
Conclusione:
L’attrazione della linguetta di alluminio ad opera della lattina caricata elettricamente è del
tutto analoga all’attrazione descritta nell’esperimento della corsa delle lattine.
Il contatto tra la linguetta e la lattina collegata alla “massa” fa si che la linguetta si scarichi
perché la massa è collegata al terreno che ha carica nulla. La fase di scarica della linguetta
avviene grazie al collegamento di materiali conduttori con il terreno, se questo collegamento
viene interrotto il campanello elettrico funziona in maniera meno accentuata.
Lo scampanio elettrico non è perpetuo ma dura il tempo necessario alla scarica completa del
palloncino (la linguetta fa da “traghetto” delle cariche dalla lattina carica alla lattina collegata
a terra).
PS. Il campanello elettrico è una variante del campanello di Franklin ideato per rilevare
l’elettricità statica delle nuvole (e quindi la possibilità di avere fulmini) semplicemente
collegando una lattina ad un’antenna all’esterno, e considerando la nuvola carica come un
palloncino.
Benjamin Franklin
Palloncini ribelli
Materiale occorrente: due palloncini, spago, panno di lana,
foglio di carta.
Si gonfieranno i due palloncini e si legheranno alle due
estremità dello spago. Si strofineranno poi entrambi i
palloncini con il panno di lana e si solleverà lo spago al
centro. Noteremo che i due palloncini si allontanano.
Metteremo allora il foglio di carta in mezzo e vedremo i
due palloncini avvicinarsi attaccandosi al foglio di carta.
Questo accade perché gli oggetti dello stesso materiale
acquistano la stessa carica elettrica. Poiché le cariche
dello stesso tipo si respingono, i palloncini, che hanno
entrambi carica negativa, si allontanano. La carta, che
non è elettrizzata possiede lo stesso numero di cariche
negative e positive e queste ultime attirano le cariche
negative in eccesso dei palloncini.
Cannucce mobili
Materiale occorrente: quattro cannucce da bibita, una
bacchetta di vetro, un panno di lana.
Posizioneremo sul tavolo due delle cannucce, parallele fra
loro, a 5 cm di distanza. Strofineremo le altre due cannucce
con il panno di lana e ne sistemeremo una di traverso alla
prime due e l’altra la avvicineremo alternativamente
alla sua destra e alla sua sinistra, facendo attenzione a
non toccarla. La cannuccia appoggiata rotolerà avanti
e indietro come se fosse spinta da quella elettrizzata.
Potremmo rifare poi la stessa prova usando la bacchetta
di vetro e vedremo che la cannuccia di traverso rotolerà
seguendo la bacchetta di vetro. Questo accade perché la
plastica si carica negativamente, mentre il vetro acquista
carica positiva. Le due cannucce di plastica, avendo la
stessa carica, si respingono, mentre il vetro e la plastica,
con cariche opposte, si attraggono.
Un percorso chiamato circuito
Materiale occorrente: pila da 4.5 volt,
cavetti, lampadine piccole,
portalampada.
Collegheremo la pila e la lampadina
mediante i cavetti e, terminato il
collegamento, sarà possibile osservare
la lampadina che si accende. Questo
accade perché l’energia luminosa della
lampadina è generata dal flusso di
cariche condotto dalla pila attraverso i
fili fino ad essa grazie ad un percorso
chiamato circuito.
conduce o non conduce?
Materiale occorrente: pila da 4,5 volt, cavetti, lampadine
piccole, oggetti di diversi materiali.
Collegheremo la pila e la lampadina mediante i cavetti,
lasciando scollegato uno dei morsetti dal portalampada.
Collegheremo poi il morsetto e la vite del portalampada
attraverso vari oggetti osservando con quali il circuito
si chiude e porta all’accensione della lampadina. Questo
accade perché la lampadina si accende solo quando viene
utilizzato come collegamento un materiale che permette il
passaggio della corrente. I metalli sono buoni conduttori,
mentre vetro, plastica, legno e cuoio sono isolanti e non
lasciano scorrere le cariche.
l’acqua non conduce l’elettricità
Materiale occorrente: pila da 4,5 volt, cavetti, lampadine piccole,
recipiente, acqua distillata, sale.
Collegheremo la pila e la lampadina mediante i cavetti, inserendo nel
circuito un nuovo componente: metteremo dell’acqua nel recipiente e
collegheremo i cavetti al recipiente in modo che siano toccati
dall’acqua. Si potrà osservare che la lampadina non si accende. Allora
scollegheremo tutto e aggiungeremo del sale in acqua. Ricollegando il
circuito potremo osservare che questa volta la lampadina si accende.
Questo accade perché l’acqua distillata è un’isolante, se si aggiunge
sale diventa un conduttore. Infatti quando il sale si scioglie le particelle
che lo compongono elettricamente si separano e vengono attirate dai
morsetti collegati alla pila, creando un ponte che chiude il circuito.
attenzione ai segni
Materiale occorrente: 2 pile da 1,5 volt, cavetti, lampadine piccole, righello, nastro
adesivo.
Prendiamo le due pile da 1,5 volt e le uniamo mettendo a contatto il polo positivo di una
con quello negativo dell’altra, le leghiamo ad un supporto rigido come un righello
utilizzando del nastro adesivo. Otteniamo così un’unica pila lunga. Fissiamo quindi due
cavetti, uno sulla cima ed uno sul fondo della pila e li collegheremo ad una lampadina. La
lampadina si accende.
Stacchiamo poi il tutto e colleghiamo le lampadine in modo da mettere a contatto i poli
dello stesso segno. Ricolleghiamo la lampadina e vediamo che questa volta non si
accende.
Questo accade perché nel generare corrente elettrica gli elettroni scorrono dal polo
negativo a quello positivo, quindi se le pile non sono posizionate correttamente non ci
sarà passaggio di corrente.
Effetto termico della corrente
La corrente elettrica produce calore
Scopo:
Verifica dell’effetto termico della
circolazione di corrente in un conduttore
Avvio della sperimentazione della
irreversibilità di alcuni fenomeni fisici.
Materiale necessario:
Pila da 4,5V, filo di rame, termometro
Costruzione
Si avvolge del filo di rame intorno al bulbo di un
termometro.
Conduzione dell’esperimento:
Si collegano i due capi del filo di rame ai poli (positivo e negativo) della pila da 4,5 V. Il filo di rame si scalda e il
termometro comincia a salire.
Conclusione:
La corrente elettrica prodotta dalla batteria e circolante nel filo elettrico produce un effetto termico (detto effetto
Joule). La corrente elettrica, nel passaggio in un conduttore, incontra una resistenza ovvero “attrito” tra gli
elettroni e gli atomi del conduttore stesso. L’attrito genera calore.
L’attrito elettrico (detto resistenza elettrica) come l’attrito meccanico è un fenomeno IRREVERSIBILE: dal calore
prodotto dal filo non si può ricavare energia elettrica.
La resistenza elettrica dipende dalle caratteristiche del filo: dal materiale (rame, alluminio, ecc.) dalla lunghezza
(più lungo è più è la resistenza) e dalla sezione del filo (maggiore è la sezione minore è la resistenza).
NB: a causa della poca resistenza del filo di rame e per non danneggiare la pila irreparabilmente è bene
condurre l’esperimento per pochi secondi. Infatti, in questa esperienza, la pila si trova ad erogare una corrente
molto alta e si scarica velocemente.
Elettrocalamita
La corrente elettrica produce una calamita (effetto elettromagnetico)
Scopo:
Verifica dell’effetto magnetico della
corrente
Materiale necessario:
Pila da 4,5V, filo di rame avvolto su un
chiodo lungo, piccolo chiodo (meglio
limatura di ferro) o fermaglio
Costruzione
Si avvolge del filo di rame intorno al
chiodo.
Conduzione dell’esperimento:
1) Si posiziona il fermaglio vicino
all’elettromagnete;
2) Si collegano i capi dell’elettromagnete
ottenuto ai poli di una pila;
3) Il fermaglio verrà attirato dall’induzione
magnetica creata dalla corrente che scorre
nel filo.
Conclusione:
La corrente elettrica è in grado di creare
delle calamite (per questo dette
elettrocalamite). L’esperienza dimostra
anche la stretta correlazione tra campo
elettrico e campo magnetico che, negli
studi del ‘900 ha portato allo sviluppo delle
trasmissioni grazie alle onde elettromagnetiche.
NB: a causa della poca resistenza del filo di
rame e per non danneggiare la pila
irreparabilmente è bene condurre
l’esperimento per pochi secondi. Infatti, in
questa esperienza, la pila si trova ad
erogare una corrente molto alta e si
scarica velocemente.
Con una bussola, una batteria e un filo di rame
possiamo dimostrare che una corrente
elettrica genera un campo magnetico intorno
a sé. Questo fenomeno, studiato da Hans
Christian Oersted nel 1820, ha dato il via a una
serie di scoperte scientifiche sulle quali si
basano i motori elettrici, le dinamo e tutti i
dispositivi che utilizzano le onde
elettromagnetiche.
che cosa serve?
Circa 1 m di filo elettrico da
avvolgimenti di diametro 0,60 mm.
Alcuni tappi di sughero cilindrici.
Una bussola.
Una batteria di pile
Una tavoletta di legno compensato
di circa 50 x 30 cm.
Colla per legno.
Seghetto sottile, carta abrasiva.
http://invitoallanatura.it/2012/la-bussola-di-oersted/
Realizzazione
1.Incollate i tappi alla tavola di legno
come illustrato nella fotografia.
2.Incastrate il filo elettrico sui tappi in
modo da formare un rettangolo aperto
da un lato. Le misure del rettangolo
devono essere circa 10 x 15 cm.
3.Mettete la bussola sotto il tratto di
filo che forma il lato più corto del
rettangolo.
4.Mettete la batteria al lato opposto
rispetto a quello della bussola, vicino ai
due estremi liberi del filo di rame.
5.Collegate il polo negativo della
batteria a uno dei due estremi del filo di
rame.
6.Importante: il filo di rame da
avvolgimenti è ricoperto da una vernice
trasparente e isolante. Per poterlo
collegare elettricamente, dovete
togliere la vernice dalle sue estremità
carteggiandolo con la carta abrasiva.
Prima prova
1.Ruotate la tavola di legno fino a quando
l’ago della bussola è allineato con il filo
che sta sopra.
2.Collegate per pochi secondi l’estremità
libera del filo con il polo positivo della
batteria. Che cosa osservate?
3.L’ago della bussola ruota, disponendosi
perpendicolarmente al filo elettrico
percorso da corrente.
Nota: per convenzione, il verso della
corrente elettrica in un circuito, va dal
polo positivo a quello negativo.
Seconda prova
1.Mettete la bussola sotto il tratto di
filo che forma un lato lungo del
rettangolo.
2.Ruotate la tavola di legno fino a
quando l’ago della bussola è
allineato con il filo che sta sopra.
3.Collegate per pochi secondi
l’estremità libera del filo con il polo
positivo della batteria. Che cosa
osservate?
4.Anche in questo caso l’ago della
bussola ruota, disponendosi
perpendicolarmente al filo elettrico
percorso da corrente.
Terza prova
1.Mettete la bussola sotto il terzo tratto di filo
e ripetete la prova precedente.
Il fisico e chimico danese
Hans Christian Oersted
(1777-1851), con un
esperimento simile a
questo, riuscì a
dimostrare nel 1820
l’interdipendenza fra
elettricità e magnetismo.
Conclusioni
La corrente elettrica che scorre nel filo fa
muovere l’ago della bussola, perciò genera
intorno a sé un campo magnetico. L’ago tende
a disporsi perpendicolarmente al filo.
Il principio del motore elettrico
Scopo:
Rilevare il passaggio di corrente in un
filo elettrico;
Utilizzare l’azione elettromagnetica
per mettere in movimento un
conduttore
Materiale necessario:
Filo di rame; pila da 4,5V; una
calamita a ferro di cavallo piuttosto
potente; un interruttore
Costruzione
Si realizza il circuito nel seguente modo:
1) Il polo positivo della pila viene
collegato ad un polo dell’interruttore;
2) Il rimanente polo dell’interruttore si
collega al filo di rame;
3) Il rimanente capo del filo di rame si
collega al polo negativo della batteria
Conduzione dell’esperimento:
Si avvicina la calamita al filo di rame, in queste condizioni non si nota nessun
effetto. Appena si chiude l’interruttore e il filo di rame è attraversato dalla
corrente elettrica, la calamita esercita una attrazione o una repulsione (il filo si
avvicina o si allontana).
Invertendo i poli della pila si ottiene l’effetto opposto (allontanamento o
avvicinamento del conduttore percorso da corrente).
Conclusione:
Questo effetto dimostra il passaggio di corrente nel filo di rame che, come è noto,
non si vede. Tale fenomeno è utilizzato negli strumenti elettrici.
Ma questo fenomeno è anche alla base del funzionamento dei motori elettrici nei
quali l’avvolgimento percorso da corrente interagisce con un campo magnetico. Il
fenomeno è reversibile e cioè muovendo il magnete si può produrre corrente
(principio del generatore o della dinamo).
NB: a causa della poca resistenza del filo di rame e per non danneggiare la pila
irreparabilmente è bene condurre l’esperimento per pochi secondi. Infatti, in
questa esperienza, la pila si trova ad erogare una corrente molto alta e si scarica
velocemente.
L'ELETTROLISI E LA CORRENTE ELETTRICA
OBIETTIVO DEL CICLO DI LEZIONI
Obiettivi specifici di apprendimento: saper scrivere una relazione di laboratorio,
conoscere le leggi sull'idrolisi, saper distinguere anodo e catodo, sapere le
soluzioni elettrolitiche e non, conoscere il principio di funzionamento di una Pila,
saper scrivere almeno una reazione chimica in soluzione elettrolitica
Obiettivi relazionali: saper lavorare in gruppo, saper prendere appunti in
laboratorio, sviluppare un processo in zona di sviluppo prossimale in relazione ai
laboratori poveri
CONOSCENZE PROPEDEUTICHE
La carica elettrica, la struttura atomica, la nomenclatura di semplici molecole, acidi
e basi, le leggi di Ohm, il potenziale elettrico, la resistenza elettrica, gli ioni, I
legami chimici
http://www.professionistiscuola.it/didattica/didattica-fisica/1373laboratorio-povero-chimica-fisica-proposta-didattica-per-i-grado-elettrolisi-ecorrente-elettrica.html
ARTICOLAZIONE DEL CICLO
Tempi:
fase 0 : laboratorio povero a casa sull'elettrostatica
fase 2: esperimenti sull'elettrolisi
fase 3: l'elettrolisi dell'acqua
fase 4: lezione frontale, utilizzo delle TIC
fase 5: la pila daniell
fase 6: verifica finale
Contenuti
l'elettrolisi, l'elettrolisi dell'acqua, le pile, le celle elettrolitiche
DESCRIZIONE E CONTESTUALIZZAZIONE DELL'ESPERIMENTO.
1 parte: laboratorio povero a casa
Avvicina una bacchetta elettrizzata (anche per strofinio) vicino ad un filo di acqua che scorre
(es. dal rubinetto) ed osserva cosa accade. L'acqua è quindi un buon conduttore di corrente?
Perchè viene deviata?
2 parte:
La prima parte della lezione (2 ore circa) inizia con un set di esperimenti da svolgere nel
laboratorio della scuola.
La scelta di iniziare subito con un laboratorio è perchè preferisco dare una impronta
fortemente sperimentale a questa unità.
Gli studenti partono dal laboratorio a scuola per costruire un modello teorico concettuale
sull'elettrolisi.
Esperimenti
Le sostanze che, se disciolte in acqua o allo stato fuso, conducono
la corrente elettrica vengono chiamate elettroliti. Prendiamo un
solido tenuto assieme da legami di Van der Waals come una
semplice zolletta di zucchero: gli elettroni sono tutti confinati
all'interno della molecola di glucosio, non vi è possibilità che
conducano corrente e quindi (vedi fotografia) la lampadina non si
accende
Sciogliendo la zolletta di zucchero in acqua e ponendovi due
elettrodi collegati alla solita lampadina, si vede che essa non si
accende. Ne consegue che le molecole di glucosio non si ionizzano
una volta disciolte in acqua, e dunque non possono condurre la
corrente elettrica. Lo zucchero non è un elettrolita.
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Verificare le due leggi di Ohm
Utilizzando delle pile da 4,5 volt, un filo conduttore di rame e una lampadina sono stati
realizzati 3 circuiti elettrici che si differenziavano per il numero di pile utilizzate. (una,
due o tre). Quindi si chiedeva ai ragazzi di confrontare la luce emessa dalla lampadina
nei tre diversi circuiti. Essi potevano osservare che l’intensità della luce emessa dalla
lampadina era maggiore quanto maggiore era il numero delle pile utilizzate. Questa
osservazione di tipo qualitativo veniva confermata da una osservazione di tipo
quantitativo utilizzando un tester digitale attraverso il quale i ragazzi potevano rilevare
l’intensità di corrente, fare misure ripetute, riflettere sui concetti di errore sperimentale
e sensibilità dello strumento.
Quindi potevano essere effettuate misure di differenza di potenziale e corrente e se ne
poteva dare una rappresentazione grafica.
Gli alunni potevano in tal modo verificare la validità della I legge di Ohm, sia in modo
qualitativo osservando come l'intensità della luce emessa dalle lampadine sia
direttamente proporzionale della differenza di potenziale prodotta dalle pile che in
modo quantitativo servendosi dei dati sperimentali acquisiti con il tester.
Per verificare la seconda legge di Ohm sono stati realizzati dei circuiti simili a quelli
precedenti, che differivano per lo spessore o per la lunghezza del filo conduttore
utilizzato. I ragazzi, attraverso l’uso del tester, potevano constatare come cambiava
l’intensità della corrente al variare della lunghezza e dello spessore del filo.
Anche in questo caso costruivano delle tabelle con i valori ottenuti e tracciavano i
rispettivi grafici.
La seconda esperienza di tipo qualitativo riguardava l’effetto termico della corrente.
I ragazzi dovevano collegare i due poli della pila usando un filo conduttore e dopo
pochi minuti toccare il filo stesso per constatarne il riscaldamento. Quindi gli alunni
potevano giungere alla conclusione che il filo si era riscaldato perché gli elettroni,
spostandosi al passaggio della corrente elettrica, incontravano una grande
resistenza e ciò produceva attrito e quindi calore. Questo effetto termico della
corrente è sfruttato in un gran numero di dispositivi presenti nelle nostre case
(asciugacapelli, forno e scaldabagno elettrici e cosi via)
La terza esperienza, infine, riguardava il funzionamento di circuiti elettrici in serie e
in parallelo. I ragazzi hanno realizzato circuiti in serie e in parallelo e hanno
osservato cosa accadeva quando in ciascun caso si svitava una lampadina. Essi
potevano constatare che nel circuito in serie svitando una lampadina si spegnevano
anche tutte le altre e questo perché si creava una interruzione del circuito elettrico.
Nel caso invece del circuito in parallelo le lampadine erano indipendenti le une dalle
altre essendo, ognuna di esse, direttamente collegata alla pila. Ed è per questo che,
svitando una lampadina, le altre rimanevano accese.
Anche inquesto caso venivano propostiesempi tratti dall’esperienza quotidiana sia
dei circuiti in serie (luci decorative per albero di natale) che dei circuiti in parallelo
(impianti elettrici ) al fine di stimolare la curiosità e l’interesse degli alunni.
