Un percorso sulle trasformazioni
dell’energia
La scienza in prima persona
Progetto scuole aperte
Liceo Fermi
Quali modi per produrre energia
elettrica?
Pile chimiche
Celle solari
Celle a combustione
Generatori elettromagnetici
Energia termica
Energia geotermica
Energia eolica
In tutti c’è un elemento in movimento (turbina) ed è
presente un campo magnetico
Caratteristiche principali di un
generatore
• La differenza di potenziale (volt)
• La corrente elettrica (ampere)
• Il prodotto di queste due grandezze dà la potenza
elettrica, cioè l’energia che il dispositivo può fornire
ogni secondo
• Si può verificare il funzionamento di un generatore
usando uno strumento apposito (tester) o collegando
un utilizzatore (una lampadina, un led o altro)
Caratteristiche degli utilizzatori
• I LED (light emitting diode)
– hanno bisogno di piccolissime correnti per
accendersi
– sono dispositivi polari
– sono molto economici
• Le lampadine
– hanno bisogno di una maggiore potenza
– non sono polari
Lampadine e LED
Le lampadine non sono dispositivi polari, si accendono
comunque vengano collegati i morsetti
I LED sono dispositivi polari, funzionano solo se si rispetta
la polarità
LED è un acronomimo
•Light
•Emission
•Diode
L’energia chimica
Tutti usiamo le pile, possiamo
comprarle già fatte
ci sono pile con caratteristiche
diverse, la differenza di
potenziale (o voltaggio) viene
di solito indicata sulla pila
stessa
Ogni liquido o materiale umido elettricamente conduttivo può
servire da elettrolita per una pila; occorrono poi degli elettrodi
fatti di metalli diversi, per esempio zinco e rame. Queste pile
generano correnti elettriche di bassa intensità. La differenza di
potenziale dipende dai metalli usati. La potenza è sempre molto
bassa.
La Pile Chimiche
Sfruttano l’effetto Volta
Materiali:
uno o due posacenere di vetro o altri
recipienti
alcune arance o altri frutti succosi
uno o più elementi di rame (piastrine,
monete, rondelle)
uno o più elementi di zinco
alcuni fili elettrici collegati con un
coccodrillo
Strumenti
un tester
alcuni utilizzatori
una calcolatrice
un orologio digitale
Usiamo una pila
ogni gruppo costruisce e prova un elemento singolo
o doppio
misura il voltaggio del singolo elemento
prova ad accendere un utilizzatore
una calcolatrice
un orologio
un led
una lampadina
L’unione fa la forza!
Un intergruppo in cui si collegano tutte le pile
costruite
Quali voltaggi si otterranno?
Cosa riusciremo ad accendere?
Obiettivo: capire cosa significa collegamento in
serie ed in parallelo nel caso delle pile
Principio di funzionamento
Gli elementi in ogni arancia
sono uno di rame ed uno
zinco. Il succo dell’arancia è
acido e gli ioni di zinco,
positivi, tendono ad entrare in
soluzione. Sull’elettrodo di
zinco rimangono quindi degli
elettroni in eccesso. Se questo
elettrodo viene connesso con
l’elettrodo di rame gli elettroni
migrano verso il rame e si
genera una (piccola) corrente
elettrica. Invece delle rondelle
si possono usare delle lastrine
Celle solari
• Occorre per ogni gruppo
– Una cella solare
– Un tester
– Uno o più utilizzatori (calcolatrice, orologio)
• In più per tutti, una cella solare di dimensioni più
grandi
• Obiettivo
– Verificare che il voltaggio dipende dalla luce
– Verificare che la potenza dipende dalla superficie
L’energia solare
•
I pannelli fotovoltaici convertono la luce
solare direttamente in energia elettrica
sfruttando le proprietà dei semiconduttori.
•
Un pannello fotovoltaico può durare circa
30 anni. In questo genere di impianto
l'energia viene prodotta istantaneamente
e non può essere immagazzinata in modo
semplice.
Per comprendere il principio di funzionamento bisognerebbe sapere un po’ di elettronica di base, in particolare cosa significa
‘semiconduttore drogato p ed n’ ed il concetto di portatore e lacuna, argomenti che in genere vengono affrontati, e neppure
sempre, durante gli ultimi anni di scuola superiore.
L’energia solare
•
Ci sono anche pannelli che vengono
utilizzati per fornire acqua calda. In questo
caso si parla di solare-termico
•
L’energia solare si può convertire in
energia termica anche usando delle lenti o
degli specchi che hanno lo scopo di
concentrare l’energia proveniente dai raggi
luminosi
•
La fiaccola olimpica, per esempio, è stata
accesa utilizzando uno specchio parabolico
Le celle a combustibile
• Inserire diapositiva già
pronta
La macchina ad idrogeno
• Il modellino di
macchina ad idrogeno
sfrutta una cella a
combustibile
• Per produrre l’idrogeno
sfrutta il fenomeno
dell’elettrolisi
• L’energia necessaria per
l’elettrolisi viene fornita
da un piccolo pannello
solare
L’elettrolisi
Il banco dell’energia
• Col banco dell’energia si
possono osservare
meglio questi stessi
processi
Altri generatori
(elettromagnetici):
• Dinamo della bicicletta
• Carica batterie meccanico
• Ventola
L’esperienza di Oersted
l’induzione elettromagnetica
OBIETTIVO: capire il principio di
funzionamento dei generatori
elettromagnetici
Facciamo cadere una calamita dentro
una bobina collegata a due cavetti
Si genera una corrente elettrica
Per verificarlo possiamo
–
–
Usare un multimetro (per misurare la
corrente o la tensione)
Collegare un LED alle estremità della
bobina e vedere che si accende
La torcia ad induzione
È un generatore elettrico
Sfrutta in sequenza questi tipi di energia
•
•
•
•
•
Energia di posizione
Energia di movimento
Energia elettromagnetica
Energia elettrica
Energia luminosa
L’energia elettrica
• Molti dei generatori di elettricità,
comprese le centrali elettriche, sono
basati sul fenomeno dell’induzione
elettromagnetica:
– Tutte le volte che si genera un campo
magnetico variabile in una regione di
spazio dove è presente una spira fatta
di materiale metallico, nella spira si
crea una corrente elettrica
Quindi si può produrre una corrente elettrica tutte le volte che si riesce
a fare in modo che una spira sia immersa in un campo magnetico variabile
La dinamo
Anche la dinamo è un generatore elettrico
• A cosa serve?
• Come è fatta?
Come è fatta la dinamo
Questo pezzo è a contatto
con la ruota
Magnete che gira quando la
bici si muove
Avvolgimento elettrico a cui
collegare la lampadina del
faro della bici
Carica batterie a manovella
Può funzionare da generatore o da utilizzatore.
Questo ci fa capire come funzionano i generatori ed i motori elettrici:
se giro la manovella ottengo corrente elettrica
se fornisco corrente elettrica la manovella si mette a girare
Tipi di energia coinvolta:
•
•
•
•
•
Energia cinetica
Energia elettrica
Energia chimica per caricare la pila del
telefonino oppure
energia luminosa
oppure di nuovo energia meccanica
L’energia eolica
Anche i generatori eolici sono dei generatori elettrici
• Convertono l'energia eolica, cioè
l’energia cinetica del vento in energia
elettrica
• Prima tra tutte le energie rinnovabili
per il rapporto costo/produzione, è
stata anche la prima fonte energetica
rinnovabile usata dall'uomo (mulini a
vento).
La nostra ventola è un apparecchio reversibile, come i caricabatteria:
se la collego ad un generatore diventa un ventilatore,
se faccio girare le pale al vento, produce energia elettrica
motore elettrico
• Per costruire un motore occorre:
– Un avvolgimento elettrico
• Si può realizzare con un filo di rame isolato
– Una calamita
– Un alimentatore
• per esempio un pila chimica
– Dei cavi di collegamento
– Dei supporti conduttori
• Per esempio delle spille da balia
Altre applicazioni
• L’elettrocalamita
Visualizzazione campi magnetici
Altre applicazioni
• Il campanello elettrico
Da preparare: elenco materiali
