Presentazione introduttiva
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a.s. 2016 – 2017 Alternanza Scuola – Lavoro Classi 4^ Q e 4^ R Progetto « Divento Radioamatore» ASSOCIAZIONE RADIOAMATORI ITALIANI SEZIONE DELLA SPEZIA PRIMA PARTE • • • • • • • • 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 • • • • • • • • 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
