Progetto LES
Sceneggiatura Circuiti 1 ver. giugno 2001
pag.1
Batterie e lampadine in serie e in parallelo
Introduzione all'attività
Si introduce il percorso didattico cercando di coinvolgere gli studenti nella scelta di lavorare
integrando lo sviluppo di schemi e modelli fisici con l'acquisizione di abilità di grande interesse
nell'uso di dispositivi elettrici quotidiani. I primi circuiti sono costituiti da lampadine e batterie e ci
si fa inizialmente guidare dalla luminosità delle lampadine per introdurre concetti e regole. Poi con
l'utilizzo del tester le osservazioni diventano quantitative e si lavora con modelli che descrivono il
legame esistente tra tensione e corrente.
Soprattutto a causa di un insegnamento poco attento al comprendere, le interpretazioni che i ragazzi
danno dei fenomeni legati al passaggio di corrente in un circuito possono discostarsi anche
notevolmente dallo schema scientifico. Questo si manifesta già nel caso semplice, ma emblematico,
del problema di accendere una lampadina, avendo a disposizione una pila e del filo conduttore. Di
fronte a tale problema, come rivelano anche numerose ricerche, circa la metà degli studenti si trova
in difficoltà e, il primo tentativo, è un insuccesso. E’ perciò evidente la presenza di problemi di
comprensione riguardo al fenomeno del passaggio di corrente in un circuito che permangono anche
dopo anni di insegnamento tradizionale sull’argomento.
Infatti insuccessi di questo tipo si verificano sia con i bambini della scuola elementare e media che
con studenti di scuola media superiore e del primo anno di università. Le difficoltà più comuni e i
modelli in base ai quali gli studenti spiegano il funzionamento dei circuiti possono essere riassunti
nei seguenti punti:
- La pila è considerata un “serbatoio” di corrente mentre la lampadina un “pozzo” nel quale la
corrente si riversa. "La corrente arriva alla lampadina ma non l’attraversa".
- L’idea di corrente viene assimilata a quella di energia.
- Viene utilizzato un modello sequenziale e non di correlazioni: se un cambiamento viene
prodotto in un punto del circuito la corrente risente del cambiamento solo dopo questo punto. E’
presente in questo caso una visione locale e non globale del circuito. Questo modello spesso si
affianca all’idea di corrente come qualcosa che si consuma lungo il circuito e porta come
conseguenza alla convinzione, condivisa da molti studenti, che in un circuito con più elementi in
serie la corrente va diminuendo dal primo fino all’ultimo.
- La tensione è una grandezza che rimane molto vaga ed è vista solo come grandezza dipendente
dalla corrente: l’idea di tensione di un generatore, in particolare di una pila, sembra per lo più
non recepita.
Molti aspetti dello sviluppo e dell’uso del linguaggio giocano un ruolo fondamentale
nell’insegnamento e nell’apprendimento di tutte le discipline, non solo quelle scientifiche. Un buon
inizio può essere quello di analizzare come i termini scientifici sono usati nel linguaggio quotidiano.
Anche per il termine corrente si possono richiamare altri casi in cui il termine viene usato: corrente
di un fiume, corrente marine, correnti cicloniche e anticicloniche nelle previsioni del tempo,
corrente di folla. Usando questi esempi si può far notare che il termine corrente descrive situazioni
in cui il “qualcosa” che si muove riempie completamente il percorso seguito: si può parlare di
corrente solo quando si ha un flusso continuo. La creazione inoltre del concetto di tensione è un
passo molto delicato. Inizialmente vengono costruiti i concetti di resistenza e di corrente, solo in
seguito conviene passare all'osservazione sul comportamento della corrente in un circuito che ha
un'intensità che dipende da due fattori, il carico e una proprietà della batteria stessa: la tensione.
È importante che i ragazzi si rendano conto del fatto che un circuito deve essere chiuso e che in
esso imparino a distinguere: il percorso, le eventuali deviazioni, cosa passa. Può essere d’aiuto
evocare situazioni in cui si usa nel linguaggio comune la parola circuito. Per esempio:
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NOME
CIRCUITO
autodromo
DEL PERCORSO
pista
automobili
tangenziale
corsia
veicoli
ippodromo
pista
cavalli
velodromo
pista
biciclette
circuito
dell’auto
pista d’atletica
acqua tubi
corsia
pag.2
CHI PERCORRE
acqua
atleti
In maniera analoga si avrà che il “percorso” che costituisce un circuito elettrico è formato da fili
conduttori, pile e lampadine.. Fatta questa precisazione è opportuno riprendere in considerazione i
vari esempi di circuiti per costruire, in analogia, l’idea di corrente. È facile riconoscere che per
l’autodromo, il velodromo e la pista di atletica non si può parlare di corrente (automobili, cavalli, …
di solito si muovono lungo il circuito rimanendo raggruppati e non riempiendolo completamente)
mentre si può parlare di corrente per il circuito di raffreddamento dell’auto e per una strada nei
momenti di grande traffico quando sulla corsia è presente una fila continua di automobili in
movimento.
2. LUMINOSITÀ DELLA LAMPADINA AL VARIARE DELLA SUA POTENZA.
Discussione collettiva
Si pone, a disposizione di ogni gruppo, una pila e delle lampadine di diversa potenza per la
realizzazione di semplici circuiti resistivi.
Prima di dare inizio alle esperienze si informano i ragazzi che durante tutto il percorso dedicato ai
circuiti si lavorerà con pile, o generatori, a valori della tensione che non superando mai le decine di
volt sono ben lontani dai valori di rete (220V), e quindi non pericolosi.
LAMPADINA
Già durante le prime fasi dell'attività ci si sofferma sulla lampadina come elemento del circuito;
questo elemento non viene, però, avviata una descrizione rigorosa fin dall'inizio ma, partendo dalle
idee primitive e dalle conoscenze già possedute dai ragazzi, se ne fornisce una prima descrizione
che sarà precisata e ridefinita durante lo svolgimento dell'intero percorso. In questa prima
descrizione è però possibile focalizzare l'attenzione su alcune caratteristiche di una lampadina, sulla
funzione dei diversi elementi ("lo zoccolo serve per avvitare la lampadina sul portalampade", "lo
zoccolo presenta una parte metallica, una isolante e delle saldature") sull'importanza del filamento
("il filamento portato all'incandescenza emette luce"), sul vuoto presente nel bulbo.
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Richiami storici
"Dopo anni di tentativi da parte di scienziati l’inventore americano Edison realizza la prima
lampadina elettrica efficiente e pronta per essere messa in commercio. Per prima cosa Edison studia
quanto dovrà costare il nuovo prodotto per essere competitivo con l’illuminazione a gas: 40
centesimi di dollaro. Poi, ancor prima di dare inizio agli esperimenti, fonda la sua società di
illuminazione elettrica, la Edison Electric Light Company, con l’appoggio dei finanzieri Cornelius
Vanderbilt e John Pierpont Morgan. A questo punto si chiude nel suo laboratorio e dà inizio alla
parte scientifica dell’operazione. Consapevole che i precedenti tentativi si erano arenati per la
difficoltà di trovare un filamento che sotto il passaggio della corrente elettrica diventasse
incandescente senza bruciare, Edison passa in rassegna oltre seimila materiali diversi: carta,
cartoncino, cotone, fibre vegetali, perfino i peli della barba di un poliziotto che gli era
particolarmente devoto perché molti anni prima Edison ne aveva salvato il figlio da un treno che
stava per investirlo. Non contento, l’inventore americano invia poi emissari in Giappone e in
Amazzonia per procurarsi nuovi vegetali da attorcigliare nella sua lampadina. Finalmente, scopre
che per illuminare senza bruciarsi, il filamento non deve contenere ossigeno. E trova che a
rispondere a un requisito del genere e la sostanza più a portata di mano: il normale cotone da cucito
fatto carbonizzare. Ma già il giorno dopo le prime pagine dei giornali annunciano la notizia a
caratteri cubitali, grazie anche a una campagna di stampa ben orchestrata dallo stesso Edison.
Quello della lampadina è infatti il primo caso nella storia di un’invenzione già perfettamente
integrata, ancor prima di nascere, nei meccanismi del "business", del marketing e delle
comunicazioni di massa.
Alla fine del 1880 Edison realizza una lampadina che dura per 1.859 ore e alla fine del 1882 la sua
fabbrica ne produce 100 mila l’anno." 1
In una lampada ad incandescenza la luce è prodotta dalla corrente elettrica che, attraversando il
filamento di tungsteno, eccita termicamente gli atomi provocando l’emissione fotonica. Il tungsteno
è scelto perché emette una luce più “bianca” di altri metalli perché può essere portato ad una
temperatura molto alta (il punto di fusione è di 3410 °C e la temperatura di esercizio è di circa
3000 °C). Il bulbo della lampadina viene riempito di un gas inerte (una miscela di azoto e argon o,
preferibilmente, di kripton) per evitare la combustione e permettere al filamento di raggiungere
temperature più elevate affinché emetta una luce più intensa.
Si rompe, durante un'esperienza svolta centralmente, il bulbo della lampadina che provocherà
l'immediata combustione del filamento di tungsteno venuto a contatto con l'ossigeno presente
nell'aria.
Piccolo gruppo
Con i fili conduttori, la batteria e la lampadina presenti su ogni tavolo i ragazzi realizzano i due
circuiti resistivi indicati nella scheda studente. Realizzando questa esperienza si osserva che le
lampadine possono mostrare luminosità diverse2, pur essendo alimentate con la stessa batteria3,
comportamento che stimola una discussione su che cosa cambia e cosa rimane fisso nei due circuiti
costruiti.
1
http://digilander.iol.it/ClubAnticheRuote/tesina/panorama%20scientifico/lampadina.htm
Lampadine con resistenza minore presentano una luminosità maggiore perché la potenza dissipata ha una dipendenza
inversa dalla resistenza: P = V2/R.
3
Le parole pila (a secco) e batteria verranno utilizzate come se fossero sinonimi. Un approfondimento sl tema verrà
fatto nella 2a attività del percorso su I Circuiti dove la realizzazione di una semplice batteria fornirà l'occasione per una
più accurata descrizione.
2
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pag.4
Discussione collettiva
I ragazzi imputano la diversa intensità luminosa osservata alla diversa intensità di corrente che
percorre il filamento, affermando che a maggior intensità luminosa corrisponde una corrente più
intensa. Essi probabilmente non forniscono una spiegazione esauriente alla loro affermazione:
"intensità luminosa più alta ⇒ corrente più elevata"
ma partendo da queste affermazioni si costruirà, durante l'intero svolgersi dell'attività, una
interpretazione condivisa del fenomeno osservato.
Poiché l’unico elemento che varia nelle due configurazioni circuitali realizzate è la lampadina,
lampadina che sul bulbo di vetro porta i valori nominali di corrente, tensione e/o potenza, è
consigliabile elencare alla lavagna i valori riportati sul bulbo per ogni lampadina utilizzata,
individuare le grandezze con gli stessi valori nominali, e correlare a quelle che invece presentano
valori diversi le diverse intensità luminose osservate.
E se si collega la lampadina alla batteria con fili conduttori di varie lunghezze cambia la sua
luminosità?
Discussione collettiva / Elaborazione scheda
I ragazzi riportano nella scheda studente ciò che hanno visto e le osservazioni fatte (a)Costruisci il
semplice circuito rappresentato in figura, utilizzando una batteria ed una delle due lampadine.
Utilizza poi l’altra lampadina a disposizione e commenta ciò che osservi.Prova ad interpretare
usando i concetti di corrente e tensione.; b)Fai variare la distanza della lampadina dai poli della
batteria. Cambia l'intensità luminosa?).
Partendo dall'osservazione della costanza dell'intensità luminosa si intavola una discussione che
porti ad affermare che l'effetto, qualunque esso sia, che permette alla lampadina di accendersi non è
più intenso vicino ad uno dei due capi della pila di quanto non lo sia vicino all'altro.
Ma la pila, i fili conduttori e la batteria che ruolo hanno nei semplici circuiti realizzati?
L'osservazione accurata degli elementi circuitali utilizzati porta alla individuazione delle funzione
che questi hanno: la pila come l’elemento che fornisce energia, i fili conduttori la trasportano, la
lampadina la utilizza (c)Osservando con attenzione il circuito realizzato individua, dei tre elementi
che lo compongono, il rispettivo ruolo: elemento che "produce" energia ………, elemento che
trasporta energia ………, elemento che utilizza energia ………).
Per accendere una lampadina, quindi, è necessario un elemento che produce energia elettrica
(trasforma energia) ed un altro che la trasporta ma ciò non basta, è indispensabile che il circuito sia
chiuso affinché la lampadina si accenda (2.2) Condividi la seguente affermazione? "La corrente
passa solo se il circuito è privo di interruzioni. "Spiegane a parole tue il significato.).
Il percorso chiuso e la identica luminosità della lampadina, in modo indipendente dalla distanza che
ha questa ultima dai morsetti della pila, porta alla formulazione dell'ipotesi dell'esistenza di un
processo non solo continuo ma anche uniforme. A questo flusso si dà il nome di corrente elettrica.
Aggiungere l’aggettivo chiuso alla parola circuito serve a sottolineare che la corrente passa solo su
un percorso privo di interruzioni.
3. CONDUTTORI ED ISOLANTI
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pag.5
Piccolo gruppo
Per esaminare il comportamento elettrico di materiali diversi, sottoposti però sempre alla stessa
differenza di potenziale, si fornisce ad ogni gruppo, oltre alle batterie e alle lampadine, oggetti
diversi da inserire in serie nel circuito. In questo circuito formato da batteria-lampadina-oggetto
l'accendersi della lampadina è assunto come indicatore della conducibilità dei diversi materiali.
Inserendo nel circuito una varietà di oggetti realizzati con materiali differenti, quali pezzi di carta,
sbarrette di metallo ecc, ed osservando il comportamento della lampadina si giunge alla
suddivisione, dei materiali a disposizione, in due classi: quelli che permettono alla lampadina di
accendersi, i conduttori, da quelli che glielo impediscono, gli isolanti (sempre mantenendo la
necessaria configurazione a percorso chiuso).
Discussione collettiva / Elaborazione scheda
Solo dopo che i ragazzi hanno osservato, rispetto al passaggio di corrente elettrica, il diverso
comportamento dei diversi materiali utilizzati si attribuisce loro la qualifica di conduttore o
isolante, utilizzando il linguaggio tecnico. Li si invita poi a discutere su ciò che hanno osservato e
ad annotare, sulla scheda studente, le loro considerazioni e le risposte ai quesiti posti (3.1)Inserisci
nel circuito che hai costruito alcuni elementi costituiti da materiali diversi (metallo, grafite, carta,
....). Distingui tra conduttori e isolanti e commenta.).
Si concentra l'attenzione sul tipo di materiali, conduttori o non, con i quali sono state realizzate le
varie parti degli elementi che compongono i semplici circuiti analizzati.
Piccolo gruppo
In particolare si ritorna sull'analisi della struttura della lampadina. Pochi studenti sono consapevoli
della bipolarità della configurazione, essi non si accorgono della punta metallica alla base della
lampadina e della vite metallica nella stessa base, né riconoscono la presenza di un materiale
isolante e la funzione di quest'ultimo.
I ragazzi provano a realizzare il circuito lampadina-pila senza il portalampade, essi devono
collegare i due cavetti provenienti dalla pila uno sulla saldatura presente sulla parte inferiore della
lampadina e l’altro su quella presente sulla ghiera. Si può così cogliere l’opportunità per
sottolineare l’importanza del filamento e dei suoi due terminali, che sono le due saldature,
fondamentali per l’inserimento all’interno del circuito.
Discussione collettiva / Elaborazione Scheda
Ad ogni gruppo si fornisce una lampadina per l'individuazione precisa di dove i morsetti di una
batteria vanno collegati affinché l'utilizzatore si accenda. Gli studenti riportano nello schizzo della
lampadina ad incandescenza, presente sulla scheda studente, il nome delle varie parti che la
compongono accompagnato dalla classificazione: conduttore / isolante (a)Nel disegno seguente,
riproducente una lampadina ad incandescenza, scrivi il nome delle varie parti che la compongono
e il tipo di materiale, conduttore o non, utilizzato nella loro realizzazione.).
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filamento
(metallo resistente
alle alte temperature
- es. tungsteno)
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bulbo di vetro in cui è
praticato il vuoto o è
immesso un gas inerte
sigla
(es.: /3/6/W
saldature
zoccolo
metallico
isolante
(plastica)
La classificazione dei materiali in isolanti e conduttori può essere condotta, in un modo semplice,
ma significativo, con l'accendersi della lampadina, avendo a disposizione una pila e del filo.
(b)Abbiamo osservato che i conduttori elettrici, cioè quei materiali che si lasciano attraversare
dalla corrente elettrica, possono anche non essere dei metalli. Spiega.).
E' possibile inoltre iniziare una prima indagine sul significato che i ragazzi attribuiscono ai simboli
V, W riportati sul bulbo della lampadina
3. LAMPADINE IN SERIE E IN PARALLELO
Il passo successivo è l'esplorazione dei fattori che influenzano la luminosità della lampadina. I
ragazzi hanno a loro disposizione una pila e due lampadine che devono far accendere
contemporaneamente.
I ragazzi vengono lasciati inizialmente liberi di realizzare un circuito formato dalle due lampadine e
dalla pila. Essi scoprono o riscoprono che esistono solo due diversi tipi di collegamento e insieme
se ne studiano le proprietà.
SERIE
Nel linguaggio quotidiano si usa il termine serie in molte occasioni: campionato di serie A, B, C;
numero di serie dei biglietti della lotteria, serie di francobolli, serie di giornali o di albi… Caso per
caso la parola serie ha un significato diverso: nei campionati sportivi le serie danno indicazione
sull’abilità delle squadre; nelle lotterie la serie dà un ordinamento ai biglietti e permette di
riconoscere un biglietto dall’altro; nei francobolli indica una successione di valori emessi in una
circostanza particolare, nei giornali e negli albi è l’insieme dei fascicoli riguardanti un personaggio
o un argomento e contrassegnati da numeri progressivi. In ognuno di questi casi c’è sempre un
ordine di successione fra gli oggetti o le azioni. Quest’idea può essere applicata alle pile o alle
lampadine in serie facendo notare che esse sono sempre disposte “una dopo l’altra” nel circuito.
Una cosa da sottolineare è che nel caso dei circuiti, l’ordine con cui sono messi gli elementi non è
importante: il comportamento degli elementi nel circuito è indipendente dall’ordine in cui sono
inseriti. Una lampadina sarà più luminosa di un’altra indipendentemente dall’ordine con cui sono
inserite nel circuito.
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pag.7
Piccolo gruppo
Si realizza un circuito, vedi figura, con le due lampadine in successione (in serie), oppure si
inserisce nel circuito, formato da una sola lampadina alimentata dalla batteria, dei tratti sempre
maggiori di filo conduttore con alta resistività. Gli studenti osservano una diminuzione della
luminosità della prima lampadina.
Discussione collettiva
Tali osservazioni sperimentali suggeriscono che l'intensità luminosa della lampadina possa essere
diminuita quando viene inserito del materiale polo a polo (in serie) nel circuito. Si deduce così che
oggetti diversi producono effetti di diversi, che materiali diversi offrono diversi tipi di impedimento
al flusso, e che maggiori quantità di uno stesso materiale (cioè a parità di sezione ma con lunghezza
maggiore) offrono un maggiore impedimento al flusso. Prendendo spunto da queste osservazioni si
intavola una discussione che porta alla costruzione del concetto di resistenza elettrica.
Richiamo storico
A questo punto è interessante, ma anche divertente, raccontare agli studenti come Cavendish
confrontò la conduttività di diversi metalli. Egli caricava un generatore a strofinio, con un numero
fisso di giri, e utilizzava fili dello stesso diametro ma di materiale diverso per scaricarlo. Cavendish
collegando i fili al generatore scaricava le cariche accumulate da quest'ultimo attraverso il proprio
corpo e dall'intensità della scossa subita ordinava in base alla conducibilità i diversi metalli. Egli
giunse così ad un ordinamento delle conduttività di diversi materiali.
Piccolo gruppo
Gli studenti hanno a disposizione lampadine di diversa potenza con le quali realizzare un circuito in
serie. Queste assumono, per i ragazzi, un comportamento atteso ed uno inaspettato: entrambe
presentano una luminosità più bassa rispetto a quando erano collegate singolarmente alla batteria
(sempre a parità di tensione erogata da quest'ultima), ma si illumina in modo più intenso quella che
presentava da sola l'intensità più bassa. Questo perché la luminosità dipende dalla potenza dissipata
che è data da: Px= Rx I2. Quindi, poiché nelle due lampadine in serie circola la stessa corrente, sarà
la lampadina che ha la resistenza più bassa, quella con il valore della potenza più piccolo, ad essere
la meno luminosa. Inizialmente, invece, il circuito era formato solo dalla pila e da una lampadina, la
corrente che lo attraversava era determinata dal valore della resistenza dell'utilizzatore: V = Rx Ix .
La conversione di energi è descritta da Px= VIx = V2/Rx, quindi a parità di tensione di
alimentazione presente ai capi dell'utilizzatore, ha una luminosità più elevata quella che presenta un
valore della resistenza più basso.
Discussione collettiva / Elaborazione scheda
Si invitano i ragazzi a discutere su ciò che hanno osservato e a formulare delle ipotesi sul perché di
un tale comportamento, idee che riportano sulla scheda studente (4.1)Collega due lampadine alla
batteria nella configurazione (serie) riportata in figura. Descrivi cosa osservi.).
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pag.8
Piccolo gruppo
Si lavora a questo punto con il corto circuito. Utilizzando il circuito in serie appena realizzato si
collegano i due capi di una delle due lampadine con un filo conduttore, cortocircuitando così una
delle due. La lampadina posta in corto circuito si spegne, mentre l'altra diventa più luminosa.
Questa osservazione può essere da stimolo per la comprensione degli effetti “indesiderati” di un
corto circuito nelle reti elettriche.
Elaborazione scheda
I ragazzi rispondono ai quesiti della scheda studente (a)Collega i due capi di una delle due
lampadine con un filo conduttore, cosa accade?; b) Dai una definizione di corto circuito).
PARALLELO
Per tutti gli studenti, a questo punto dell’attività didattica, plausibile che la resistenza totale effettiva
di un circuito aumenti quando vengono inseriti dei materiali in serie; però per molti di loro non è
altrettanto noto che la resistenza effettiva di un insieme di elementi diminuisca quando più elementi
vengono aggiunti in parallelo. E' utile, quindi, eseguire esperimenti con pila e lampadine che
mostrino concretamente la diminuzione della resistenza totale nelle configurazioni in parallelo: la
luminosità complessiva di due lampadine in parallelo è maggiore di quella che si ottiene quando le
stesse sono disposte in serie (a parità di d.d.p. ai capi della serie e del parallelo)!
Nel linguaggio dei circuiti due elementi sono in parallelo quando ai loro capi c’è la stessa d.d.p.
Piccolo gruppo
Si fa costruire prima un circuito realizzato con la batteria ed una sola lampadina, di cui si osserva
l'intensità luminosa; in un secondo momento si collega una seconda lampadina in parallelo alla
prima, sempre tenendo l'attenzione puntata sulla loro luminosità.
Discussione collettiva / Elaborazione scheda
Si intavola una discussione su ciò che hanno osservato, stimolandola con opportune domande
sull'intensità luminosa delle lampadine nelle diverse configurazioni, e su comportamenti osservati
ma inaspettati se ad un circuito che vede due lampadine in serie se ne aggiunge una terza in
parallelo ad una delle altre due.
E' possibile fare una prima considerazione energetica, qualitativa, sulla batteria che quando
alimenta più lampadine in parallelo si esaurisce prima4.
4
A parità di tensione erogata la pila si esaurisce prima quando alimenta più lampadine in parallelo, rispetto al caso di
una sola lampadina alimentata, perché diminuisce il carico totale del circuito: P=V2/Rtot.
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pag.9
Piccolo gruppo
Si fa inoltre connettere un corto filo di lana d'acciaio in serie ad una lampadina, per poi aggiungere
altre lampadine in parallelo alla prima. Ad un certo punto la lana d'acciaio brucia, che cosa accade
di diverso quando si passa dalla configurazione lampadine in serie a quella lampadine in parallelo?
Spunti per un'attività di laboratorio
Solitamente gli studenti vengono stimolati da quest'ultimo esperimento che può portare, anche in
un'altra sede, ad una discussione delle caratteristiche e dello scopo dei fusibili: dispositivi di
sicurezza che quando la corrente supera un certo valore limite interrompono il circuito elettrico
evitando così guasti che vanno dal corto circuito all'incendio. Alcuni metalli, come il piombo o
l'argento, assumono un tale comportamento grazie al basso punto di fusione; una corrente eccessiva
(rispetto a quella desiderata causa un riscaldamento per effetto Joule del filo (sottile) tale da
provocarne la fusione e l’interruzione del circuito.
Elaborazione scheda
Alla luce di quanto osservato e/o appreso i ragazzi compilano la scheda studente rispondendo a
quesiti che mirano a puntualizzare il concetto che la resistenza equivalente di più elementi in
parallelo diminuisce all’aumentare del numero di elementi (Realizza un circuito formato da una
batteria, una lampadina ed un corto filo di lana d'acciaio. Aggiungi delle lampadine in parallelo
alla prima, a) cosa accade?; b) Perché il filo di lana d'acciaio brucia?).
Sono inoltre presenti sulla scheda studente domande di ricapitolazione su alcuni degli argomenti
fino ad ora affrontati (a)Alla luce di quanto hai appreso: Spiega il significato della seguente frase.
"A casa si è verificato un corto circuito!"; b)Collega tra loro con una linea le caselle di testo
contenenti definizioni secondo te correlate.; c)Commenta. Riporta sotto forma di appunti sintetici i
concetti fino ad ora messi a fuoco.).
5. BATTERIE IN SERIE E IN PARALLELO
Discussione collettiva
Dal momento che gli studenti hanno sperimentato nel loro quotidiano l'abbassarsi graduale ma
continuo del volume di una musica diffusa da un walkman fino al non sentirla più, sanno che le
batterie si scaricano. Essi generalmente dicono che nei circuiti qualcosa si consuma e, per molti di
loro, a consumarsi è la corrente stessa.
Un'idea qualitativa di cosa si "consuma" all'interno di un circuito e delle prestazioni delle batterie
può essere introdotta grazie ad esperimenti con combinazione di batterie in serie e in parallelo.
Nelle esperienze finora eseguite i ragazzi hanno utilizzando sempre una sola pila per accendere una
o più lampadine. Essi, però, hanno avuto certamente modo di notare che alcuni dispositivi torce
elettriche, il walkman , ecc. utilizzano più batterie. Ma come queste sono collegate tra loro?
Può essere istruttivo a questo punto aprire alcuni dispositivi, leggere i valori nominali indicati sul
dispositivo e sulle batterie, analizzare nel dettaglio e non superficialmente i collegamenti (+, - ) tra
le diverse batterie, ecc.
Questo è un momento fondamentale per la formazione del concetto di differenza di potenziale, che
verrà costruito gradualmente con un approccio di tipo fenomenologico; si forniscono perciò ad ogni
gruppo una lampadina e due batterie5 con le quali realizzare semplici circuiti resistivi.
5
Nel trattare i generatori abbiamo finora fatto un'ipotesi semplificativa, abbiamo accettato che il valore dichiarato della
ddp, il nominale, coincidesse con quello effettivo.
Una batteria ha sempre una resistenza interna. Se chiamiamo VN il valore nominale, VE il valore effettivo, ed infine
VRi la caduta di tensione sulla resistenza interna del generatore, se il generatore si comporta dal punto di vista della
dissipazione come un conduttore ohmico, vale la seguente relazione:
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pag.10
PARALLELO
Piccolo gruppo
Distribuito ad ogni gruppo la lampadina, due fili e due pile si prova ad accendere la lampadina con
ognuna di esse. Poi si realizza un primo circuito in cui le due batterie sono poste tra loro in
parallelo, vedi figura seguente, in modo ciò che il polo positivo della prima sia collegato con il
positivo della seconda e il negativo con il negativo.
Discussione collettiva / Elaborazione scheda
Dalla costanza dell'intensità luminosa della lampadina i ragazzi deducono che la tensione ai capi
dell'utilizzatore è sempre la stessa sia se quest'ultimo è alimentato da una sola batteria sia se lo è da
due (o più), a parità di tensione erogata singolarmente dalle due pile. Essi annotano nella scheda
studente ciò che osservano, intensità della lampadina che non cambia, con le loro considerazioni
(Collega due batterie alla lampadina nelle due configurazioni riportate in figura. Cosa accade?).
D’altra parte però la presenza di una pila in più deve avere un qualche effetto. I ragazzi concordano
sul fatto che le pile (di uguale tensione) poste in parallelo durano di più; esse fanno muovere un
numero di cariche pari alla metà di quelle che farebbero muovere se fossero da sole, la corrente che
passa nell'utilizzatore è la somma delle correnti provenienti dalle due pile.
SERIE
Piccolo gruppo
Esistono però diversi modi di collegare tra loro due pile. Si realizza una seconda configurazione
circuitale in cui la lampadina vede le due batterie poste in serie, l'intensità luminosa presentata è
sempre la stessa?
VE = VN - VRi = VN - I⋅Ri
dove I è la corrente che passa nel circuito ed Ri la resistenza interna della pila.
Per misurare la resistenza interna di un generatore si realizza un circuito formato dal generatore e da una resistenza R
nota (confrontabile con quella interna). La differenza di potenziale presente ai capi del generatore è la stessa che si trova
ai capi della resistenza, quindi:
VE = V N − I ⋅ Ri
V E = IR
misurando la caduta di tensione ai capi della resistenza R e la corrente I che circola è possibile fornire una stima della
resistenza interna del generatore:
Ri =
V N − VE
I
Quando la resistenza interna è molto piccola, che significa Ri trascurabile rispetto alla resistenza R del carico, il
generatore si comporta come un generatore ideale di tensione, quindi:
VE =
VN ⋅ R
⇒ VE = V N
R + Ri
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pag.11
batterie
in serie
Discussione collettiva / Elaborazione scheda
Alla fine i ragazzi giungono alla conclusione che esistono due modi per collegare tra loro due
batterie in serie. Se si pone a contatto il polo positivo di una pila con il negativo dell’altra, con la
lampadina collegata agli altri due terminali rimasti liberi, si ottiene un’intensità luminosa maggiore
rispetto a quella che la lampadina mostra quando è alimentata da una singola pila. Quando invece il
collegamento tra le due pile avviene ponendo a contatto i poli omonimi delle pile non si ottiene
alcuna illuminazione della lampadina, a parità di tensione erogata dalle due pile impiegate.
(b)Collega due batterie alla lampadina nelle due configurazioni riportate in figura. Cosa accade?
Riporta sinteticamente i concetti più importanti emersi dall'osservazione delle due configurazioni
circuitali.).
Se invece si collegano tra loro i due poli positivi (o quelli negativi) di due pile che erogano tensioni
diverse, la lampadina si illumina ma con intensità minore come se fosse alimentata da una singola
pila di tensione pari alla differenza tra le tensioni erogate dalle due pile utilizzate.
Lavoro qualitativo con motorini elettrici per costruire l'idea di cariche in movimento
Il lavoro con le lampadine e le batterie ha permesso di costruire prime idee relative ai concetti
di corrente, resistenza, tensione, energia e potenza (luminosa, termica). L'idea di corrente
legata ad un flusso unidirezionale di cariche (elettroni) che nel circuito esterno (fili di
collegamento e filamento della lampadina) sono indirizzati dalla pila dal polo negativo a
quello positivo e nella pila sono "estratti" dal polo positivo e "spinti" verso il negativo può
essere ulteriormente rafforzata collegando le stesse batterie a dei motorini.
Anche il motorino ha due terminali come la lampadina, così come per la lampadina anche il
motorino gira solo se entrambi i terminali sono collegati alla batteria, ma a differenza della
lampadina, l'inversione dei collegamenti produce un'inversione del senso di rotazione e il
senso di rotazione può essere assunto come indicatore del verso di percorrenza degli elettroni
nel circuito.
Più in là queste idee potranno diventare più precise, (risolvendo reti, lavorando con diodi,
ecc.) ma in questa fase si consiglia di proporre semplici esperienze dimostrative con motorini
al fine di condividere la possibilità di determinare il verso della corrente in relazione alla
polarità della batteria.
6. MISURE DI TENSIONE E DI CORRENTE
Confrontando le opinioni dei vari gruppi sui diversi fenomeni osservati è opportuno, a questo punto
dell’attività, far notare come la luminosità della lampadina sia stata usata per introdurre concetti che
richiedono precisazioni (la luminosità non è la corrente …), definizioni operative e quindi
valutazioni quantitative e misure, con strumenti, di effetti prodotti dalla corrente. Si ripetono quindi
le esperienze qualitative svolte ai punti precedenti eseguendo stavolta delle misure quantitative, di
tensione e corrente, con un tester che verrà posto ai capi o in serie alle lampadine nelle diverse
configurazioni circuitali realizzate. Si analizzano poi i valori numerici dati dalle misure fornendone
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un'interpretazione. Le ipotesi formulate, in base ai comportamenti misurati delle grandezze tensione
e corrente, si confrontano poi con quelle fornite in precedenza in base alle osservazioni qualitative.
Discussione collettiva
Si introduce a questo punto dell'attività didattica il tester in modo però non del tutto esaustivo, ma
con precisazioni che saranno date durante tutto il percorso su I Circuiti a risposta delle esigenze e
delle maggiori conoscenze maturate dai ragazzi durante lo svolgimento di queste attività didattiche.
IL TESTER ANALOGICO
Tester analogico ICE 680R
Tester digitale
Puntali
Nota
Sull'opportunità di lavorare con tester analogici o digitali esistono punti di vista anche diversi. E'
evidente che il tester analogico richiede un lavoro iniziale maggiore e un'abilità che può essere
sviluppata solo dopo un po' di pratica. Nella nostra esperienza il lavoro che viene richiesto (scelta
della scala, calcoli per le conversioni e quindi con le proporzioni, valutazione dell'errore, riflessioni
sul principio di funzionamento, ecc.) aiuta nel comprendere il significato della misura e a trattare
aspetti più generali che riguardano gli strumenti di misura.
In generale uno strumento di misura può essere schematizzato come costituito da una parte sensibile
alla grandezza da misurare, una parte che traduce l'informazione ottenuta dal rivelatore in una
grandezza di più facile utilizzazione ed infine un display o una scala graduata che fornisce
visivamente il valore della misura.
Il galvanometro a bobina mobile, il nostro tester analogico, è uno strumento che in modo
proporzionale all'intensità della corrente che lo percorre, sposta un ago su di una scala graduata. "Il
galvanometro è costituito da un filo conduttore avvolto in varie spire rigide (bobina). La bobina,
immersa in un campo magnetico generato da un piccolo magnete permanente, può ruotare intorno
ad un asse ed è richiamata verso la posizione di equilibrio da una molletta a spirale. In assenza di
corrente circolante nella bobina, la posizione di equilibrio corrisponde alla posizione di riposo della
molla, in corrispondenza è segnato lo zero sulla scala graduata. Quando nella bobina passa la
corrente si stabilisce una nuova posizione di equilibrio"6 tra la forza magnetica e quella di richiamo
della molla che fornisce il valore della corrente direttamente su una delle scala graduate indicate da
"V-mA".
6
"Fisica II" Silvestrini - Mencuccini, Liguori Editore
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Attirare l'attenzione sui possibili errori di parallasse. Errori commessi nel tentativo di individuare
la tacca vicino alla quale si ferma l'ago ma che possono essere evitati utilizzando lo specchio
presente sulle scale graduate e tenendo chiuso un occhio. Al di sotto delle scale graduate sono
presenti alcuni fori, detti boccole, che servono ad introdurre i due conduttori cavi che posti alle
estremità di due fili servono per effettuare le misure.
Le misure di corrente si eseguono ponendo l'amperometro in serie al ramo in cui si vuole misurarla,
interrompendolo cioè in un punto e richiudendolo mediante lo strumento.
amperometro
R
Rg
r
V
generatore
La corrente misurata in questo modo è affetta da un errore sistematico dovuta alla resistenza interna
dell'amperometro. Se consideriamo un semplice circuito resistivo formato da una resistenza R, un
generatore che fornisce una tensione V con resistenza interna r, ed infine un amperometro con
resistenza interna Rg; la corrente misurata
Im= V / (R + r + Rg)
è sistematicamente minore di quella I in assenza di strumento.
I - Im = ( Rg /( R + r)) ⋅ Im
Se fosse Rg = 0 (strumento ideale) non si verificherebbe tale errore sistematico, la cui entità non
dipende soltanto dalla grandezza caratteristica dello strumento, ma anche dal circuito in misura: R
+ r.
"Negli amperometri commerciali è possibile aumentare la portata dello strumento, cioè inserire
resistenze, dette di shunt, diverse infilando i puntali di connessione in fori diversi.
Nell'eseguire misure di corrente, di cui non si conosce nemmeno approssimativamente il valore è
necessario iniziare ad usare lo strumento nella situazione di massima portata per evitare di
danneggiarlo, solo successivamente se la deflessione dell'indice corrisponde ad un valore minore
della portata della scala inferiore si inserirà lo shunt in tale scala. In questo modo si riesce ad
impiegare lo strumento con la sensibilità massima e quindi con errore relativo di sensibilità
minimo."5 La resistenza di shunt è una resistenza nota che in parallelo all'amperometro fa in modo
che solo una frazione della corrente da misurare passi nell'amperometro. La scelta iniziale di una
portata elevata consente anche di verificare senza rischio di danno per l'equipaggio dello strumento,
la corretta polarità. L'eventuale correzione di polarità si ottiene semplicemente scambiando tra loro i
puntali oppure la posizione delle spine nelle rispettive boccole."7
Per misure di corrente continua lo spinotto nero va inserito nella boccola contrassegnata dal simbolo
"=", mentre quello rosso in una delle boccole contrassegnata con "A" o con dei suoi sottomultipli. Il
valore della corrente massima non deve mai superare quello indicato sulla boccola, e la scala sulla
quale leggere il valore della misura va scelta a seconda della boccola scelta.
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"Un amperometro dà automaticamente anche una misura della differenza di potenziale ai suoi capi
una volta che si conosca la sua resistenza interna Rg (legge di Ohm). Quindi se si tara la scala dello
strumento direttamente in unità di misura di tensione si ottiene uno strumento per la misura di
questa grandezza detto voltmetro. Se è necessaria una scala maggiore per la tensione è possibile
porre in serie alla resistenza interna dello strumento delle resistenze, anche in questo caso la
resistenza totale del voltmetro è detta Rg. All'aumentare della portata aumenta quindi
proporzionalmente Rg, il ché è molto importante per quanto riguarda gli errori sistematici introdotti
dall'uso dello strumento."7
voltmetro
Rg
R
r
generatore
V
Se si vuole calcolare la differenza di potenziale ai capi di una resistenza, il valore della tensione
misurata è
Vmis = R eq ⋅ I
dove con R eq si indica la resistenza equivalente data dal parallelo tra le due resistenze R g e R
Vmis = (Rg / (Rg + R)) V
Lo strumento fornisce una misura della tensione, Vmis , sottostimata, affetta quindi da un errore
sistematico pari a
V - Vmis = V ⋅ (Rg / (R + Rg))
che tende a zero quando (Rg/R)→∞, il che è esattamente l'opposto di quanto accade per
l'amperometro; in altre parole il voltmetro deve quindi essere caratterizzato da una resistenza
interna molto elevata al contrario di quello che deve accadere per un amperometro.
Per misure di tensione lo spinotto nero va inserito nella boccola contrassegnata dal simbolo "=",
mentre quello rosso va inserito nella boccola contrassegnata con "V" o con dei suoi sottomultipli.
Con una pila al suo interno un amperometro può essere utilizzato anche come ohmetro se posto ai
capi della resistenza da misurare.
7
"Introduzione all'esperimentazione fisica" M. Severi, Editore C.I.S.U.
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Il galvanometro di resistenza interna Rg è alimentato da una pila V con resistenza interna r.
Con una opportuna taratura il galvanometro che, anche quando è utilizzato come ohmetro, misura
sempre e solo la corrente che circola nella maglia:
I = V / (r + Rg + R)
fornisce una lettura diretta del valore della resistenza incognita R, se R >> Rg la corrente misurata è
proporzionale a 1/R e quindi la scala non è lineare.
In accordo con la legge di Ohm lo zero, inoltre, per il tester utilizzato come ohmetro, si trova sulla
destra della scala graduata, dove invece per la tensione e la corrente si trovano i valori di fondo
scala: a tensione costante fornita dalla batteria interna dell'ohmetro a correnti alte corrispondono
resistenze basse.
Per effettuare misure di resistenza elettrica si inserisce uno spinotto nella boccola contrassegnata da
"Ω" e l'altro in una delle boccole con i simboli "Ωx1" .. "Ωx1000". La scala graduata da utilizzare
per questa misura è quella in alto contrassegnata dal simbolo "Ω"; è però necessario tarare
inizialmente lo strumento ponendo a contatto i due puntali e girando la ruota dentata fino a spostare
l'ago all'estrema sinistra della scala. (resistenza nulla)
Ogni tester è caratterizzato da una classe di precisione che indica l'errore percentuale di una misura
in relazione al fondo-scala scelto. In altre parole l'errore massimo di ogni misura è pari al prodotto
della classe di precisione per il valore numerico del fondo scala scelto. Poiché l'errore massimo
cresce al crescere del fondo-scala dopo aver utilizzato, per non danneggiare lo strumento, valori alti
del fondo-scala conviene utilizzare quello in cui la lancetta sia il più vicino possibile al valore
massimo8.
"Esistono inoltre strumenti digitali, la cui risposta è un numero formato da un finito numero di cifre,
il quale esprime direttamente il valore numerico della misura, cioè il rapporto tra la grandezza
misurata e l'unità di misura adottata. Con un multimetro digitale si eseguono misure di corrente e di
ddp, sia in c.c. sia in c.a., e misure di resistenza. Il multimetro digitale non comprende parti
meccaniche mobili, ma solo circuiti elettronici che devono essere alimentati da una forza
elettromotrice interna o esterna. Con questo strumento l'errore di sensibilità è sempre lo stesso ed è
sull'ultima cifra presente dal display numerico."6
Quindi il tester, sia quando viene utilizzato come amperometro, sia come voltmetro che come
ohmetro, è a sua volta uno dei conduttori che si trovano a far parte di un circuito chiuso che, quindi,
finisce per influenzare i valori della corrente e della differenza di potenziale che va a misurare.
Se il voltmetro è posto ai capi dell'amperometro e della lampadina la sua misura sarà influenzata
dalla presenza dell'amperometro, se invece il voltmetro è ai capi della lampadina e l'amperometro
segue, sarà quest'ultimo ad essere influenzato dalla presenza del voltmetro, in entrambi i casi dando
vita a delle incertezze sistematiche. La configurazione che influenza meno i valori misurati di
corrente e tensione dipende dal valore assunto dalla resistenza R. Se R < Rg è da preferire la
configurazione che vede il voltmetro posto ai capi della lampadina e l'amperometro che segue; se R
> Rg invece si deve scegliere la configurazione che vede il voltmetro posto ai capi della lampadina e
dell'amperometro9.
Discussione collettiva
Fornito ad ogni gruppo un tester si intavola una discussione che porti alla definizione dell'intervallo
di funzionamento di uno strumento (il valore minimo detto soglia, e il valore massimo detto
portata), della sensibilità di uno strumento e quindi dell'errore di sensibilità che ne consegue ed
anche della sua prontezza e precisione (6.1)Osserva però prima con attenzione il tester, saresti in
8
9
"Fisica per temi" U. Amaldi, Zanichelli Editore.
"Misure elettriche e fondamenti di Elettronica" E. Burattini - C. Sciacca, Liguori Editore.
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grado di definirne: a) l'intervallo di funzionamento ……… .b) la prontezza ……… .c) la
sensibilità……… .d) la precisione……… .).
TABELLE DI MISURE
Piccolo gruppo
Introdotto il tester si realizza il circuito, pila che alimenta una sola lampadina, utilizzando
alternativamente le due a disposizione. Si effettuano misure di tensione e corrente utilizzando, a
seconda delle esigenze, le diverse scale disponibili sul tester e discutendo su cosa cambia, se si
cambia scala. La discussione porta alla scelta ottimale della scala che è quella con la quale si
ottengono errori di sensibilità più piccoli
Lampadina 1
Lampadina 2
Tensione [V]
6,0 ± 0,2
6,0 ± 0,2
Corrente [mA] Potenza10 [W]
130 ± 10
0,78 ± 0,09
480 ± 10
2,9 ± 0,1
Discussione collettiva / Elaborazione Scheda
Si riportano sulla scheda studente i valori misurati di tensione e corrente. A parità di tensione la
Lampadina 2, che è quella che mostra l'intensità luminosa maggiore, risulta essere quella percorsa
dalla corrente più intensa presentando quindi la resistenza più bassa.
Sulla scheda studente è presente una semplice domanda-verifica a risposta multipla sulla posizione
del tester in misure di tensione e corrente, con la richiesta puntuale di motivare la scelta operata (a)I
seguenti circuiti sono stati realizzati per misurare l'intensità di corrente che circola nella
lampadina e la tensione ai suoi capi. Uno solo è stato realizzato in modo corretto, indica quale e
spiega il motivo della scelta.).
LAMPADINE IN SERIE O IN PARALLELO
Queste misure, realizzate con un circuito che vede i due utilizzatori una volta in serie ed una in
parallelo, permettono di porre in evidenza che la corrente che circola in un circuito dipende sì dalla
tensione erogata dalla pila che alimenta il circuito, ma anche dalle caratteristiche di quest’ultimo.
Infatti gli utilizzatori possono essere collegati in modo da facilitare o da ostacolare il passaggio di
corrente all’interno del circuito.
La disposizione utilizzatori in parallelo offre due percorsi indipendenti al passaggio di corrente
elettrica che, a parità di resistenza offerta dagli utilizzatori, risulta avere una intensità doppia (nella
pila).
La disposizione utilizzatori in serie offre invece un solo percorso alla corrente elettrica che ha un
valore più basso rispetto a quello che si avrebbe se ci fosse una sola lampadina. Con lampadine
uguali (stessa resistenza) la tensione ai capi di ogni lampadina è pari alla metà di quella erogata
dalla pila.
10
La potenza dissipata, i valori sono riportati nell'ultima colonna, è stata calcolata con la formula P = V⋅I , mentre
l'errore è stato valutato con la seguente formula di propagazione degli errori ∆P = (∂P/∂I) ⋅ ∆I + (∂P/∂V) ⋅ ∆V, dove ∆I e
∆V sono gli errori di sensibilità dello strumento (tester), della scala scelta, utilizzato per eseguire le misure.
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LAMPADINE IN SERIE
Piccolo gruppo
Realizzato il circuito formato da una pila e da due lampadine poste in serie si effettuano misure di
tensione e corrente ai capi dei due utilizzatori riportando i valori ottenuti nella relativa tabella sulla
scheda studente.
Tensione (V)
Pila
6,0 ± 0,2
Lampadina 1 5,8 ± 0,2
Lampadina 2 0,2 4± 0,04
Corrente (mA)
Resistenza (Ω) Potenza (W)
130 ± 10
130 ± 10
44,61 ± 4,0011 0,75 ± 0,08
1,85 ± 0,45
0,031 ± 0,008
Discussione collettiva / Elaborazione scheda
Il valore misurato della corrente nei vari elementi circuitali è sempre lo stesso, il circuito è infatti
formato da una sola maglia; varia invece la caduta di tensione ai capi dei diversi resistori. La
Lampadina 2, che mostra una luminosità meno intensa della Lampadina 1, ha una caduta di tensione
ai suoi capi più bassa. Si stimolano i ragazzi affinché confrontino i risultati delle misure con le
osservazioni qualitative precedentemente formulate (a) Commenta le misure ottenute riportando
inoltre le concordanze e discordanze con le osservazioni qualitative precedentemente formulate).
LAMPADINE IN PARALLELO
Piccolo gruppo
Realizzato il circuito formato da una pila e da due lampadine poste in parallelo tra loro, si effettuano
misure di tensione e corrente ai capi dei due utilizzatori riportando i valori ottenuti nella relativa
tabella sulla scheda studente.
Pila
Lampadina 1
Lampadina 2
Tensione (V)
5,8 ± 0,2
5,8 ± 0,2
5,8 ± 0,2
Corrente (A)
0,5 ± 0,1
(110 ± 10) ⋅ 10 -3
(450 ± 10) ⋅ 10 -3
Potenza (W)
0,64 ± 0,08
2,6 ± 0,1
La Lampadina 2, che nel semplice circuito pila-lampadina mostra una luminosità più intensa
rispetto alla Lampadina 1, assume anche nella configurazione in parallelo l'intensità luminosa più
elevata, in accordo con le misure che forniscono per le due lampadine un stessa tensione ai capi.
Si stimolano i ragazzi affinché confrontino i risultati delle misure con le osservazioni qualitative
precedentemente formulate (b) Commenta le misure ottenute riportando inoltre le concordanze e
discordanze con le osservazioni qualitative precedentemente formulate). Sulla scheda studente sono
presenti semplici esercizi - verifica a risposta multipla sulle relazioni esistenti tra correnti e tra
11
L'errore sulla resistenza è stato stimato con la seguente formula approssimata: δR/R =δV/V + δI/I; dove δV e δI sono
gli errori di sensibilità di cui sono affette le misure voltamperometriche eseguite.
Progetto LES
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tensioni (a) Quali relazioni esistono tra le correnti misurate dai quattro amperometri?; b)Quali
relazioni esistono tra le tensioni rilevate dai quattro voltmetri?).
BATTERIE IN SERIE E IN PARALLELO
batterie
in parallelo
batterie
in serie
Piccolo gruppo
Realizzato il circuito formato da una lampadina e da due pile poste una volta in serie ed una in
parallelo, si effettuano misure di tensione e corrente ai capi dell'utilizzatore riportando i valori
ottenuti nella relativa tabella sulla scheda studente.
Batterie in serie
Batterie in parallelo
Tensione (V)
11,6 ± 0,2
6,0 ± 0,2
Corrente (mA)
170 ± 10
130 ± 10
Potenza (W)
2,0 ± 0,2
0,78 ± 0,09
Discussione collettiva / Elaborazione scheda
Quando il circuito è realizzato con le due pile poste in serie aumenta sia la corrente sia la tensione ai
capi delle singole lampadine, che mostrano infatti un'intensità luminosa più elevata rispetto a quella
assunta quando sono alimentate da una singola pila.
Si osserva che le batterie in commercio sono sempre un multiplo di 1,5V, aprendo una batteria da
4,5 V si osserva che all'interno si trovano tre batterie da 1,5 V messe in serie.
Ai capi invece delle due pile in parallelo la tensione rimane sempre di 6V, ecco perché la lampadina
mostra sempre la stessa intensità luminosa sia se alimentata con un sola pila sia quando è alimentata
da due pile in parallelo. La differenza tra la configurazioni circuitale nella quale è presente un sola
pila, da quella in cui le pile sono in parallelo non è nella tensione erogata, ma nel tempo che
impiegano le pile a scaricarsi: P=VI=V(I1+I2)=P1+P2.
Sulla scheda studente è presente una semplice domanda verifica sui valori di tensione erogati da
pile collegate tra loro (a) Un apparecchio elettrico richiede 15 V per funzionare. Come useresti a
tale scopo delle pile da 1,5 V? Quante pile ti servirebbero?; b)Collega allo stesso modo (serie o
parallelo) le due pile di seguito riportate).
Si chiude questa prima attività mostrando l'utilità e l'efficacia delle rappresentazioni simboliche
convenzionalmente accettate per descrivere circuiti. Una volta introdotti poi i simboli convenzionali
degli elementi circuitali fino ad ora utilizzati è consigliabile ripercorrere l'intera scheda
schematizzando con i nuovi simboli adottati i circuiti già realizzati.
Progetto LES
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generatore in continua (o batteria) con il segno + che indica il polo positivo
filo conduttore
lampadina
resistenza
interruttore
BIBLIOGRAFIA
"Circuiti Elettrici", G. Bianchi, G. Bonera, L.Borghi, A.De Ambrosis, P.Mascheretti, C.I.Massara,
GNDT Pavia, CNR Progetto Strategico TID
"Fisica II" Silvestrini - Mencuccini, Liguori Editori.
"Introduzione all'esperimentazione fisica" M. Severi, Editore C.I.S.U.
"Misure elettriche e fondamenti di Elettronica" E. Burattini - C. Sciacca, Liguori Editore.
Ricerca siti WEB
Molti siti, in lingua inglese, contengono proposte didattiche su "batterie e lampadine", ecco
alcuni suggerimenti per la ricerca:
"batteries and bulbs common difficulties"
"applets batteries bulbs"
