Presentazione introduttiva

a.s. 2016 – 2017
Alternanza Scuola – Lavoro
Classi 4^ Q e 4^ R
Progetto « Divento Radioamatore»
ASSOCIAZIONE RADIOAMATORI ITALIANI
SEZIONE DELLA SPEZIA
PRIMA PARTE
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FORZA
LAVORO
ENERGIA
CAMPI DI FORZA
STRUTTURA ATOMICA
ELETTRICITA’
CAMPO ELETTRICO
CONDENSATORI
FORZA
Una forza è spesso descritta come
una spinta o una trazione.
Le forze possono essere dovute a
fenomeni quali la gravità, il
magnetismo, o qualunque altro
fenomeno che induca un corpo ad
accelerare.
La sua caratteristica è quella di
indurre una variazione dello stato di
quiete o di moto dei corpi, quindi di
compiere un lavoro.
LAVORO
In fisica, il lavoro è l'energia scambiata tra due
sistemi attraverso l'azione di una forza quando
l'oggetto subisce uno spostamento e la forza
ha una componente nella direzione dello
spostamento.
ENERGIA
L'energia è la grandezza fisica
che misura la capacità di un
corpo o di un sistema fisico di
compiere lavoro.
L'energia può essere definita
come una proprietà
posseduta dal sistema che
può essere scambiata fra i
corpi attraverso il lavoro.
Una precisa definizione di
energia non è semplice da
fornire.
L'energia è un concetto
matematico astratto.
Non esiste quindi nessuna
sostanza o fluido
corrispondente all'energia
pura.
Come scrisse Feynman:
« … nella fisica odierna, non abbiamo
alcuna conoscenza di cosa sia l'energia. »
PE = POTENZIALE
KE = CINETICA
“l’energia non si crea e non si distrugge, ma si trasforma”
L’energia è in ogni
cosa e in ogni
fenomeno ma non
abbiamo idea di cosa
sia davvero.
Per quanto ne
sappiamo l’energia è
solo una strana
proprietà astratta
dell’universo; un
numero, la cui
somma totale non
cambia in nessuna
circostanza.
L’energia si converte nelle sue mille forme,
ma non scompare mai, né si genera.
Questo fenomeno prende il nome di
“principio di conservazione” ed è fra le più
importanti leggi mai osservate in natura.
TRASFORMAZIONE DELL’ENERGIA
Il pendolo è un
esempio di come
l'energia cinetica è
convertita in quella
potenziale e viceversa.
Al punto più alto la
velocità del pendolo
(vettore blu) è nulla e
l'energia potenziale
gravitazionale è
massima, al punto più
basso l'energia
potenziale è nulla e la
velocità è massima. La
differenza dell'energia
potenziale si è quindi
convertita in energia
cinetica.
CAMPO DI FORZA
In fisica, un campo di forze è un
campo vettoriale che descrive
la presenza di una forza in ogni
punto dello spazio.
Si tratta di una funzione che
associa ad ogni posizione un
vettore che ha l'intensità e la
direzione della forza.
Campo gravitazionale
Nel caso della forza di gravità si suppone che un corpo dotato di massa
modifichi lo spazio intorno a sé, definendo in ogni punto un vettore di
campo, in modo tale che un altro corpo risenta di tale campo e vari la sua
traiettoria di conseguenza
L’ ATOMO
STRUTTURA DELL’ ATOMO
ELETTRICITA’
Col termine elettricità (dal greco
ἤλεκτρον, che significa "ambra") si fa
riferimento a tutti i fenomeni fisici che
coinvolgono la forza elettromagnetica,
con particolare riferimento
all'elettrostatica.
A livello microscopico, tali fenomeni
sono riconducibili all'interazione tra
particelle cariche : i protoni nel nucleo
di atomi, gli elettroni o le molecole
ionizzate.
I tipici effetti di tali interazioni sono le
correnti elettriche e l'attrazione o
repulsione di corpi elettricamente
carichi.
Campo elettrico
Un oggetto dotato di una carica elettrica esercita una forza (CAMPO ELETTRICO)
a una certa distanza su un altro oggetto avente una carica elettrica.
Contrariamente alla forza di gravità, la quale fa sì che un oggetto ne attragga un
altro, gli oggetti con una carica elettrica possono sia attrarsi sia respingersi l'un
l'altro. Nel caso della forza elettrica, a differenza di quella gravitazionale, si
possono avere forze sia attrattive (tra cariche di segno opposto) che repulsive
(tra cariche dello stesso segno).
L’ intensità del campo elettrico E si misura in «Volt/metro» ; simbolo «V/m».
CARICA ELETTRICA
In fisica, la carica elettrica è una grandezza fisica dotata di segno, ed è
una proprietà fondamentale della materia.
La carica elettrica è responsabile dell'interazione elettromagnetica,
essendo sorgente del campo elettromagnetico.
La carica elettrica è una grandezza quantizzata, cioè esiste solo in forma di
multipli di una quantità fondamentale: la carica dell'elettrone,
che viene definita come negativa ed indicata con
−e
La carica di un protone, uno dei costituenti fondamentali
del nucleo insieme al neutrone,
viene considerata positiva ed indicata con
+e
LEGGE DI COULOMB
Determina la forza con cui si attraggono o si
respingono due cariche elettriche
q1 * q2
F = -------------r ^2
UNITA’ DI MISURA
La grandezza fisica corrispondente alla carica elettrica
si indica con la lettera «Q»
La quantità di carica elettrica si misura in «Coulomb»
Il simbolo del Coulomb è «C»
Una carica elettrica di 1 Coulomb contiene
6,22 * 10^ 18 elettroni
IL CONDENSATORE
È un dispositivo in grado di
immagazzinare energia
potenziale sotto forma di campo
elettrico, per mezzo di cariche
elettriche presenti sulle sue
armature.
CAPACITA’ del CONDENSATORE
È la proprietà di accumulare una certa
quantità di cariche elettriche sulle
armature in relazione ad una
determinata differenza di potenziale ,
o intensità del campo elettrico,
presente tra le armature stesse.
La capacità «C» vale :
Q
C = ------V
può anche essere definita in base alle
dimensioni fisiche ed al tipo di
dielettrico posto tra le armature.
In questo caso :
S
C = k --------d
k = costante del tipo di dielettrico
S = superficie delle armature
d = distanza tra le armature
Unità di misura
La grandezza fisica corrispondente alla capacità elettrica
si indica con la lettera «C»
La capacità elettrica si misura in «Farad»
Il simbolo del Farad è «F»
Una capacità di 1 Farad può accumulare la carica elettrica
di 1
C alla tensione di 1 V
Carica e scarica di un condensatore
COLLEGAMENTO DEI CONDENSATORI
IN SERIE
STESSO
VALORE DI
CARICA
ELETTRICA
IN PARALLELO
STESSA DIFFERENZA
DI POTENZIALE
CP = C1 + C2 +C3
ASSOCIAZIONE RADIOAMATORI ITALIANI
SEZIONE DELLA SPEZIA
SECONDA PARTE
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GENERATORI DI FEM
IL CIRCUITO ELETTRICO
LA CORRENTE ELETTRICA
LA RESISTENZA
LEGGE DI OHM
EFFETTO JOULE
ENERGIA, LAVORO, POTENZA ELETTRICA
RESISTENZE IN SERIE E PARALLELO
GENERATORE DI F.E.M.
È un dispositivo capace di separare al suo interno le
cariche elettriche e di rendere disponibile una
differenza di potenziale elettrico ai suoi capi (o "poli"
o "morsetti").
I generatori possono essere di tipo elettrostatico o
elettrodinamico.
I primi producono elevate tensioni e basse correnti e
vengono usati prevalentemente per esperienze e
dimostrazioni di laboratorio.
I secondi producono, in genere, tensioni più basse e
correnti più intense e sono quelli utilizzati nella
pratica quotidiana.
GENERATORI ELETTROSTATICI
Generatore di Van de Graaff
Generatore di Wilmshurst
Generatori elettrodinamici
Il primo generatore di questo tipo è statala «pila di Volta» (1799).
Schema della pila di
Volta:
1. un elemento della
pila;
2. strato di rame;
3. contatto negativo;
4. contatto positivo;
5. feltro o cartone
imbevuto in
soluzione acquosa
(acqua e acido
solforico);
6. strato di zinco.
Alessandro Volta
(Como, 18 febbraio 1745 –
Como, 5 marzo 1827)
È un generatore di tipo «elettrochimico» come
le attuali pile o batterie di uso comune
GENERATORI IDEALI
• Generatore ideale di tensione a) : è un ipotetico
dispositivo in grado di mantenere una tensione costante
indipendentemente dall'intensità di corrente.
• Generatore ideale di corrente b) è un ipotetico
dispositivo in grado di mantenere una intensità di
corrente costante indipendentemente dal carico resistivo
al quale è connesso.
GENERATORI REALI
Un generatore reale di tensione a) è caratterizzato da
una resistenza interna Ri in serie ad una forza elettro
motrice.
Un generatore reale di corrente b) è caratterizzato da
una resistenza interna Ri in parallelo ad un generatore
(ideale) di corrente.
Il circuito elettrico
Si definisce circuito elettrico l'interconnessione di elementi elettrici
in un percorso chiuso in modo che la corrente elettrica possa fluire
con continuità.
Il generatore di f.e.m. V è in grado di fornire un flusso di elettroni (corrente «i»)
che, dal polo positivo, fluisce nel circuito attraverso il conduttore R e rientra nel
generatore dal polo negativo. Questo avviene a spese di una fonte energetica
esterna, di vario tipo, che nel generatore viene trasformata in energia elettrica.
CORRENTE ELETTRICA
La corrente elettrica è un flusso
di elettroni che, spinto dalla
f.e.m. di un generatore, scorre
lungo il percorso di un circuito
elettrico.
La corrente elettrica indica la
quantità di carica elettrica che
scorre in un circuito per unità di
tempo :
I = Q/t
André-Marie Ampére
Lione, 20 gennaio 1775 –
Marsiglia, 10 giugno 1836
Unità di misura
La grandezza fisica corrispondente alla corrente elettrica
si indica con la lettera «I»
La corrente elettrica si misura in «Ampére»
Il simbolo dell’ Ampére è «A»
Una corrente di 1 Ampére corrisponde a 1 Coulomb al
secondo.
Materiali conduttori
I materiali conduttori sono caratterizzati dalla presenza degli elettroni liberi nella
banda di valenza degli atomi del reticolo cristallino (conduttori di prima specie) o
contengono specie ioniche che si fanno carico di trasportare la corrente elettrica
(conduttori di seconda specie)
Materiali conduttori sono tipicamente i
metalli, come rame, ferro, zinco,
piombo, argento, etc.
Il miglior conduttore è l’argento ma,
per ovvi motivi economici, Il materiale
più usato nei circuiti elettrici è il rame.
La resistenza
La resistenza elettrica è una grandezza fisica scalare che misura la tendenza
di un corpo ad opporsi al passaggio di una corrente elettrica, quando
sottoposto ad una tensione elettrica.
Questa opposizione dipende dal materiale con cui è realizzato, dalle sue
dimensioni e dalla sua temperatura. Uno degli effetti del passaggio di
corrente in un conduttore è il suo riscaldamento (effetto Joule).
Simbolo circuitale della resistenza
Aspetto reale di una resistenza
(2000 Ω)
Come insegnante di scuola
superiore, Ohm iniziò la sua
ricerca con la nuova cella
elettrochimica, inventata
dallo scienziato italiano
Alessandro Volta.
Utilizzando attrezzature di
sua creazione, Ohm si accorse
che esiste una proporzionalità
diretta tra la differenza di
potenziale (o tensione)
applicata attraverso un
conduttore e la corrente
elettrica risultante.
Georg Simon Alfred Ohm
(Erlangen, 16 marzo 1789 –
Monaco di Baviera, 6 luglio 1854)
Questa relazione è nota come
legge di Ohm
Esprime in termini matematici la relazione tra gli elementi di un circuito elettrico :
FORZA ELETTROMOTRICE, CORRENTE ELETTRICA E RESISTENZA
I=V/R
R = V/ I
V =R*I
La resistenza di un conduttore può essere definita
anche dalle dimensioni geometriche e dalle
caratteristiche fisiche del conduttore stesso :
•
•
•
•
Lunghezza «l»
Sezione «S»
Resistività specifica del materiale «ρ»
Temperatura «K t »
Il termine
l
R = K t ρ ------S
ρ indica la resistività specifica di un materiale conduttore
Unità di misura
La grandezza fisica corrispondente alla resistenza elettrica
si indica con la lettera «R»
La resistenza elettrica si misura in «Ohm»
Il simbolo dell’ Ohm è «Ω»
Una resistenza di 1Ω è quella che, attraversata da una corrente elettrica di 1 A,
presenta ai suoi capi la tensione di 1 V
I=1A
R=1Ω
+
V=1V
_
EFFETTO JOULE
un resistore quando è percorso da una
corrente elettrica si riscalda, ovvero
libera o dissipa una parte dell'energia
elettrica sotto forma di calore.
È detto effetto Joule, dal nome del
fisico inglese che lo scoprì, il fenomeno
per cui il passaggio di corrente elettrica
attraverso un conduttore è
accompagnato dallo sviluppo di calore.
Avviene quindi una trasformazione di
energia elettrica in energia termica.
James Prescott Joule Salford, 24 dicembre 1818 –
Sale, 11 ottobre 1889)
ENERGIA - LAVORO ELETTRICO
Elettronvolt :
In fisica l'elettronvolt (simbolo eV) è un'unità di misura dell'energia.
Viene definito come l'energia guadagnata (o persa) dalla carica elettrica di un
singolo elettrone, quando viene mosso nel vuoto tra due punti di un campo
elettrostatico, tra i quali vi è una differenza di 1 volt.
Joule :
Il joule (simbolo J) è l'unità di misura del lavoro
Un joule equivale a: 6,241509343 x 10^18 eV ed equivale al lavoro
necessario per spostare una carica elettrica di 1 C tra due punti di un campo
elettrostatico, tra i quali vi è una differenza di 1 volt.
LA POTENZA ELETTRICA
La potenza elettrica è il lavoro svolto su una carica elettrica da un campo
elettrico nell'unità di tempo, che si esprime Istantaneamente come:
p(t)=v(t)⋅i(t)
Negli usi pratici la potenza viene espressa con i valori medi di tensione e
corrente :
P=V*I
La potenza trasformata in calore per «effetto Joule» si esprime come :
P = R * I^ 2
Unità di misura
La grandezza fisica «potenza» si indica con la
lettera «P»
l'unità di misura della potenza del Sistema
Internazionale è Il watt (simbolo: W) .
Un watt equivale a 1 joule al secondo (1 J/s)
ed è equivalente, in unità elettriche, a un volt
moltiplicato per un ampere.
Prende il nome da James Watt
James Watt (Greenock, 19 gennaio
1736 – Handsworth, 19 agosto 1819)
matematico e ingegnere scozzese.
RESISTENZE IN SERIE
La tensione V è ripartita
tra le quattro resistenze :
VR1 = R1*I
VR2 = R2*I
VR3 = R3*I
VR4 = R4*I
La somma delle cadute di tensione ai capi di ciascuna
resistenza è uguale alla tensione V del generatore :
VR1 + VR2 + VR3 + VR4 = V
La potenza P dissipata nel circuito equivale alla
somma delle potenze dissipate dalle singole
resistenze
RESISTENZE IN PARALLELO
IR1 = V/R1
La somma delle correnti Delle singole resistenze è
uguale alla corrente I erogata dal generatore :
IR1 + IR2 + IR3 = I
IR2 = V/R2
IR3 = V/R3
La potenza P dissipata nel circuito equivale alla
somma delle potenze dissipate dalle singole
resistenze
FINE