Elettricità Pagina 1

Elettricità
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Scienze
naturali
L'elettricità
Scuola media
Classe IV
Giubiasco, giugno 2006
SOMMARIO
1. Produzione e costo dell'elettricità
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
1.5.
1.6.
1.7.
1.8.
1.9.
1.10.
1.11.
1.12.
.............................. 1
La fattura per la fornitura di energia elettrica ......................... 4
Quanto costa ............................................................................ 5
Quali apparecchi necessitano di tanta energia elettrica?.......... 6
La potenza ............................................................................... 7
Potenza degli elettrodomestici più comuni ............................. 8
Da dove proviene l'elettricità che utilizziamo? ....................... 10
Conduttori e isolanti ................................................................ 11
La pila ...................................................................................... 12
La cella fotovoltaica ................................................................ 13
La rete di distribuzione dell'elettricità ..................................... 13
L'alternatore da bicicletta ........................................................ 16
Effetto elettrico della corrente elettrica ................................... 17
2. Circuiti elettrici
2.1. Analogia con il circuito idraulico............................................. 18
2.2. Simboli elettrici ....................................................................... 19
2.3. Collegamento in serie e in parallelo ........................................ 21
2.3.1. Collegamento in serie .................................................... 21
2.3.2. Collegamento in parallelo ............................................. 21
2.4. Costruzione di un circuito con due lampadine in serie ........... 22
2.5. Costrizione di un circuito con due lampadine in parallelo ...... 22
2.6. Accensione e spegnimento da due punti diversi ..................... 23
2.7. Una protezione: il fusibile di sicurezza ................................... 23
2.8. La legge di Ohm ...................................................................... 24
2.9. L'impianto domestico .............................................................. 26
3. Effetti della corrente sul nostro corpo ................ 25
3.1. In caso d'incidente: cosa fare? Cosa non fare?......................... 26
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1. Produzione e costo dell'elettricità
Un po' di storia: le cariche elettriche
Più di duemila anni fa i greci erano rimasti colpiti dalle caratteristiche dell'ambra, una resina prodotta da alcuni alberi e induritasi col tempo. Dopo averla
strofinata con un panno di lana, essa acquista la proprietà di attrarre corpi leggeri (pezzetti di paglia, piccoli semi) che si trovano nelle sue immediate vicinanze.
La parola elettricità deriva dal greco elektron, che vuol dire appunto ambra.
Le cariche elettriche sono rappresentate dalle particelle cariche dell’atomo:
- gli elettroni, portatori di una carica negativa
- i protoni, portatori di una carica positiva.
I neutroni non portano nessuna carica.
Noi inizieremo il nostro viaggio alla scoperta di questa ormai indispensabile
fonte di energia partendo proprio da una cosa molto comune (ma non certo gradita …):
la fattura per la fornitura
di elettricità!
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1.1. La fattura per la fornitura di energia
Ecco un esempio di fattura per la fornitura di energia elettrica. Alcune posizioni
sono facilmente comprensibili, altre sono invece poco chiare! Ma come procede la società fornitrice per stabilire l'importo che dobbiamo pagare?
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1.2. Quanto costa ….
… far funzionare per un certo tempo uno dei nostri apparecchi elettrici?
Ovviamente dipende dall’apparecchio!
Come visto l’azienda elettrica a cui facciamo capo, periodicamente ci invia una
fattura per la fornitura di energia. Per calcolare l’importo dovuto si deve procedere alla lettura del contatore che si trova in ogni casa o appartamento.
Per meglio comprendere il suo funzionamento leggiamo attentamente
la targhetta e proviamo a far funzionare diversi apparecchi collegandoli
alla rete elettrica attraverso il contatore.
… Penso che funzioni così ...
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1.3. Quali apparecchi necessitano di tanta energia elettrica?
Il disco metallico rotante e le cifre del contatore girano con velocità diversa a
dipendenza dell'apparecchio stiamo utilizzando.
Facciamo una semplice esperienza:
Facciamo bollire un litro di
acqua e annotiamo le seguenti
misure:
•
tempo impiegato in secondi;
•
quanti giri ha compiuto il
disco del contatore;
•
leggiamo anche le indicazioni tecniche riportate
sul bollitore ad immersione.
Indicazioni tecniche del
bollitore
Tempo impiegato per far
bollire l'acqua
Giri compiuti dal disco
del contatore
Altre osservazioni
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1.4. La potenza
Dopo aver oscurato l’aula, illuminiamola con
differenti lampadine inserite su un portalampade da tavolo (vedi illustrazione).
Anche in questa occasione colleghiamo il portalampada alla rete attraverso il contatore.
Come varia la luce emessa dalle varie lampadine?
Quanti giri compie il disco del contatore in un
minuto?
Completa la tabella leggendo anche quali indicazioni tecniche troviamo sulla lampadina stessa o sul suo imballaggio.
Lampadina 1
Lampadina 2
Lampadina 3
Indicazioni
tecniche
Giri del contatore
(in un minuto)
Luce emessa
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1.5. Potenza degli elettrodomestici più comuni
Ogni apparecchio elettrico è provvisto di una targhetta con l’indicazione delle
sue caratteristiche tecniche.
Nella tabella sottostante riporta tali valori per alcuni degli apparecchi elettrici
che vengono regolarmente usati a casa tua.
Apparecchio
Tensione
volt
Potenza
watt
Televisore
220/250
90
Osservazioni
Penso che ...
Asciugacapelli
Lampada
Aspirapolvere
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Esercizio 1
Ora che abbiamo capito come viene calcolato l’importo da versare alla società
elettrica e quanto costa l’energia necessaria per far funzionare per un certo tempo un apparecchio, rechiamoci nell’aula di informatica e con EXCEL realizziamo il seguente lavoro:
d
- Foglio Excel che calcoli l’ammontare della fattura partendo dalle indicazioni
fornite dal contatore.
Abbiamo chiesto informazioni riguardo la "Tassa sulla potenza". Noi pensavamo che si trattasse di una tassa calcolata in base alla potenza massima degli apparecchi installati in una
casa …
Ebbene no! In pratica si tratta di un aumento del prezzo di 1 kWh! Indipendentemente dal
fatto che si tratti di energia fornita di giorno o di notte, al prezzo del kWh viene semplicemente aggiunto un sovrapprezzo di 2.3 centesimi!
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Esercizio 2
Calcola, per la tua regione, il costo medio dell'energia elettrica e prepara il seguente lavoro:
- Foglio Excel che permetta di calcolare quanto costa far funzionare un apparecchio per un'ora.
Quante ore può funzionare lo stesso apparecchio con 1 fr?
1.6. Da dove proviene l’elettricità che utilizziamo?
Come visto, nella vita di tutti i giorni siamo confrontati con innumerevoli apparecchi che per il loro funzionamento necessitano di elettricità.
Una rapida analisi ci permette di identificare tre possibili mezzi per ottenerla:
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1.7. Conduttori ed isolanti
Per giungere nelle nostre case l’elettricità necessita di una linea di trasporto.
Tutti i materiali sono adatti per il trasporto della corrente elettrica? Per scoprirlo utilizziamo una semplice lampadina collegata a una pila. Interrompiamo il
collegamento ed inseriamo materiali diversi lungo il circuito.
Se il materiale esaminato lascia passare la corrente anche la lampadina si accenderà.
Materiale
Legno
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SI/6O
NO
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1.8. La pila
La pila è un sistema elettrochimico che consente di trasformare l’energia chimica in energia elettrica.
La prima pila fu ideata da Alessandro Volta nel 1799. La pila di Volta era formata da coppie di dischi di zinco e di rame sovrapposti e separati da dischetti di
panno imbevuti di una soluzione di acido solforico.
Utilizzando gli stessi materiali impiegati da Alessandro Volta costruiamo la
nostra pila.
Colleghiamo ora le piastrine metalliche
a un piccolo motore.
Prova ora ad intercalare un numero maggiore di
piastrine di metallo.
Alessandro Volta:
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1.9. La cella fotovoltaica
Nei luoghi discosti, ma anche per far funzionare piccoli apparecchi elettronici,
l’elettricità è originata da celle fotovoltaiche meglio conosciute come "pannelli
solari".
Una cella fotovoltaica è in grado di convertire l’energia luminosa in energia elettrica.
Proviamo a far funzionare il nostro motore elettrico con una cella fotovoltaica:
1.10. La rete di distribuzione dell’elettricità
La maggior parte dei nostri apparecchi funziona però grazie all’elettricità che
giunge nelle nostre case grazie alla rete di distribuzione.
Ma cosa ci sarà "dietro" la banalissima presa di corrente che si trova anche al
tuo posto di lavoro?
Prova a risalire la rete di distribuzione fino al punto dove l’elettricità ha origine!
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Ecco una possibile soluzione:
Cos’è questo
strano apparecchio?
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Eccolo!
Si tratta proprio del comune "alternatore da bicicletta"!
Permette di produrre la corrente elettrica necessaria per
l'impianto di illuminazione della bici.
Ma come funziona?
Il miglior sistema per scoprire come funziona è aprire
uno di questi strani apparecchi...
Facciamo ancora una volta un salto nel passato: nel
1831 il fisico inglese Michael Faraday scoprì un interessante fenomeno: quando all’interno di una bobina di filo conduttore si muove una calamita, nel
filo della bobina si origina una corrente elettrica!
In laboratorio possiamo riprodurre facilmente l'esperienza di Faraday.
Colleghiamo i due capi di una lunga bobina di filo di rame a uno strumento di
misura che indica il passaggio di corrente elettrica (microampèrometro) e muoviamo una calamita diritta avanti e indietro all'interno della bobina.
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1.11. L'alternatore da bicicletta
Che a muoversi sia la calamita o la bobina di filo poco importa! Il risultato è
sempre il medesimo: nel filo scorre una corrente elettrica.
Il comune alternatore da bicicletta è quindi un generatore di corrente elettrica
e può essere costruito in diversi modi.
Ecco lo schema di un possibile modello:
Proviamo a costruirlo con il materiale a nostra disposizione e verifichiamo il
suo buon funzionamento.
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1.12. Effetto calorico della corrente elettrica
La corrente elettrica non è visibile, per contro i suoi effetti sono facilmente osservabili. Realizziamo la seguente esperienza:
Colleghiamo al generatore di corrente un filo di tungsteno avvolto in modo da
formare alcune spire.
Aumentiamo molto lentamente la tensione elettrica fornita dal generatore ed
osserviamo cosa accade:
In casa abbiamo moltissimi apparecchi elettrici il cui funzionamento si
basa sull’effetto calorico.
Fondamentale per la sicurezza è la
funzione di un piccolo elemento di
cui molti sottovalutano l’estrema importanza (vedi illustrazione).
Di cosa si tratta? A cosa serve e come
funziona?
Il fusibile di sicurezza.
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2. Circuiti elettrici
2.1. Analogia con il circuito idraulico
Si può paragonare la corrente elettrica al flusso dell’acqua attraverso dei tubi.
In questa analogia la batteria è la pompa che spinge l’acqua, i fili conduttori
corrispondono ai tubi nei quali scorre l’acqua e l’interruttore funziona in modo
analogo al rubinetto.
La pompa idraulica che solleva
l’acqua fino a un certo livello, nel
circuito elettrico è rappresentata
da un generatore di "dislivello
elettrico", ad esempio una pila.
Il dislivello elettrico o differenza
di potenziale elettrico si misura
in volt (V).
La portata, cioè quanta acqua passa nel tubo ogni secondo, nel circuito elettrico
si chiama "intensità elettrica" e si misura in ampere (A). Misurare l’intensità
elettrica equivale quindi a "contare" quante cariche elettriche passano nel filo
ogni secondo!
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2.2. Simboli elettrici
Per rappresentare i circuiti elettrici si impiegano simboli che rappresentano i
vari componenti.
Ecco i più usati:
+
Per la costruzione dei nostri circuiti abbiamo a disposizioni degli
elementi modulari con il simbolo
corrispondente stampato sulla faccia superiore!
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Il seguente circuito, formato da una batteria (generatore), una lampadina
(utilizzatore), un interruttore/deviatore e dei fili conduttori ….
lampadina
fili di collegamento
generatore
interruttore/
deviatore
… diventa:
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2.3. Collegamento in serie e in parallelo
Gli apparecchi elettrici si possono collegare al generatore nei seguenti modi:
2.3.1. Collegamento in serie
analogia con
il circuito
idraulico
2.3.2. Collegamento in parallelo
analogia con
il circuito
idraulico
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2.4. Costruzione di un circuito con 2 lampadine in serie
Descrizione:
2.5. Costruzione di un circuito con 2 lampadine in parallelo
Descrizione:
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2.6. Accensione e spegnimento da due punti diversi
Nelle nostre case incontriamo sovente la necessità di poter accendere e spegnere la stessa lampadina da due punti differenti (ad esempio alle due estremità di
un lungo corridoio).
Proviamo a costruire un circuito simile!
Descrizione:
2.7. Una protezione: il fusibile di sicurezza
Per proteggere gli apparecchi elettrici da indesiderati sbalzi di tensione (ad esempio duranti i temporali), si inserisce un fusibile di sicurezza.
Come fare?
Descrizione:
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2.8. La legge di Ohm
Nell’analogia con il circuito idraulico abbiamo già parlato di:
-
differenza di potenziale elettrico o tensione elettrica
(paragonabile al dislivello tra due punti)
che si esprime in volt (V)
-
intensità della corrente elettrica
(paragonabile alla portata)
che si esprime in ampere (A)
Per misurare la tensione si utilizza un voltometro che va inserito in parallelo,
mentre per misurare l’intensità si impiega un amperometro che si inserisce in
serie lungo il circuito.
Per scoprire quale relazione esiste tra queste due grandezze costruiamo un semplice circuito, dove l’utilizzatore è una resistenza scalda-acqua ad immersione.
A
+
-
V
R = 10 Ω
Facciamo ora variare la tensione di alimentazione e vediamo cosa capita al valore dell’intensità.
Riportiamo i dati nella tabella seguente.
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Tensione U
(volt)
Intensità I
(ampere)
Quale relazione esiste tra la tensione U e l’intensità I ?
In un circuito elettrico chiuso la tensione provoca il movimento delle cariche
elettriche, cioè una corrente elettrica.
Un circuito elettrico è caratterizzato dalle tre grandezze seguenti:
La tensione elettrica
L’intensità della corrente
La resistenza elettrica
Dove:
U
I
R
espressa in volt [V]
espressa in ampere [A]
espressa in ohm [Ω
Ω]
U
R=
I
I =
U
R
U=R.I
La tensione U spinge la corrente I
attraverso la resistenza R.
In altre parole il valore in ohm della resistenza di un utilizzatore esprime quale
tensione in Volt occorre affinché la resistenza venga percorsa da un’intensità di
1 ampere.
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2.9. L'impianto domestico
Nel nostro impianto casalingo tutti gli apparecchi sono collegati in parallelo e
la tensione è di 220 Volt.
I due estremi di ogni presa sono collegati a due cavi, la fase e il neutro e generalmente è presente un terzo cavo, la messa a terra che serve quale protezione
in caso di incidente.
NEUTRO
FASE
Perché gli apparecchi domestici sono collegati in
parallelo?
MESSA A TERRA
Semplificando all'estremo, la figura precedente illustra come l'elettricità giunge
fino alle nostre case.
Come mai gli uccelli che si posano sui fili non restano fulminati dalla corrente?
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Effetti della corrente elettrica sul nostro corpo.
Una corrente elettrica che attraversa il nostro corpo, può danneggiarlo molto
seriamente.
La pelle asciutta funziona da isolante impedendo cosi che l'elettricità si propaghi nell'organismo. Perché il suo potere isolante venga meno si deve verificare
una situazione in cui il nostro corpo rappresenti la "chiusura" di un circuito elettrico.
In questo caso le conseguenze possono essere irreparabili, anche perché i 220 V
della corrente abitualmente fornita per gli usi domestici e, soprattutto, la sua
intensità, sono più che sufficienti a uccidere una persona.
Il passaggio di corrente elettrica attraverso il corpo può produrre effetti molto
dannosi e talvolta addirittura letali a seconda delle caratteristiche della corrente
applicata e la durata del contatto.
In generale, si può dire che gli effetti dannosi della corrente dipendono dalla
sua intensità e dal suo percorso attraverso il corpo. Correnti da 1 a 3 mA rappresentano la soglia della percezione e non sono pericolose.
Correnti da 4 a 50 mA producono spasmi nella muscolatura scheletrica, particolarmente pericolosi quando interessano i muscoli respiratori (morte per asfissia).
Correnti di maggiore intensità provocano l'arresto del cuore che quindi non funziona più come propulsore del flusso del sangue e provocano perciò la morte.
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In caso di incidente: cosa fare? cosa non fare?
Come comportarsi in caso di folgorazione? Se il fusibile salvavita non scatta e
la vittima è ancora sotto tensione bisogna disinserire prima possibile l’interruttore generale della corrente. Più a lungo dura la scossa, maggiore è il rischio di
danni.
Quello che non si deve mai fare, altrimenti si può mettere a rischio la propria
incolumità, è toccare la vittima ancora sotto tensione con le mani o con un oggetto bagnato o umido!
Evitiamo i rischi!
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