parte2 - Dipartimento di Fisica

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CAPITOLO 2
Misure di corrente elettrica
Abbiamo studiato il comportamento della corrente elettrica facendo alcuni semplici circuiti. Per misurare la
corrente elettrica ci siamo serviti della luminosità delle lampadine.
Questo metodo è poco preciso perché ci permette di giudicare solo ad occhio se circola più o meno corrente in
due diversi circuiti,ma non ci consente di affermare con certezza se la corrente è doppia,tripla,ecc..
Per fare misure precise bisogna costruire una bilancia con la quale pesare le correnti.
Come realizzarla?
Si può utilizzare per esempio l'effetto che osserverai nel seguente esperimento:
Esperimento N. 2.1
Attrazione e repulsione fra una calamita ed una matassa di filo percorsa da corrente elettrica:
•
Prendi la matassa di filo di rame e prova ad
avvicinarla alla calamita del pacchetto.
Si attraggono o no?
•
Prova ora a collegare i due estremi della matassa
con i poli di una pila (attenzione a togliere bene la
vernice isolante che ricopre i fili della matassa nei
punti dove fai il contatto con la pila).
•
Avvicina la matassa di filo percorsa da corrente
alla calamita (o magnete) come in fig.13.
Cosa succede?
•
Rovescia i poli della calamita mettendo S al posto
di N (i due poli sono le facce larghe del magnete).
Cosa succede?
•
Inverti i poli della pila tenendo ferma la posizione
della bobina.
Cosa succede?
•
Gira la bobina di 180°
Cosa succede?
Si tratta ora di misurare la forza di attrazione o repulsione fra la matassa e la calamita.
Realizza con il materiale del pacchetto la bilancia descritta qui di seguito ed avrai uno strumento per pesare le
correnti.
Esperimento n° 2.2
Bilancia per misurare le correnti
Seguendo la fig. 14 e, utilizzando il materiale indicato nella figura o un’asticciola di legno leggera, costruisci la
bilancia "elettromagnetica" che misura la forza di attrazione fra la matassa di rame (bobina) percorsa da
corrente e la calamita ( o magnete).
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Esperimento n° 2.3
Uso della bilancia e misure elettriche
Polarità della bilancia
Per provare il funzionamento della bilancia collega i due poli della pila alle viti mediante due fili conduttori ben
attorcigliati intorno alle viti stesse.
Indichiamo la bilancia col simbolo di fig. 15.
Il circuito sarà quindi quello di fig. 16.
Se hai lavorato con cura vedrai che la bilancia viene attratta o respinta dalla calamita con una certa forza.
Prova ad invertire i poli della pila lasciando invariata la posizione della calamita. Cosa succede?
Prova a invertire i poli della calamita. Cosa succede?
Per "pesare" la corrente , cioè misurarla, utilizza una rondella metallica o un altro contrappeso adatto ed
appoggialo sull'asticciola di legno dalla parte opposta alla bobina in modo da equilibrare la bilancia. Perché ciò
sia possibile la forza fra calamita e bobina deve essere attrattiva o repulsiva? Accertalo facendo alcune prove se
non riesci ad intuirlo.
Stabilita la polarità della bilancia che consente di fare delle misure, e fissata la calamita in una certa posizione,
segnala con due pezzetti di nastro adesivo incrociati il polo positivo (+) in modo da ricordartene negli
esperimenti successivi.
Esperimento N. 2.4
Taratura della bilancia
Avrai notato che collegando la pila direttamente alla bilancia si potrà equilibrare la forza di attrazione tra
bobina e calamita mettendo il contrappeso metallico fin quasi ad un certo punto dell'asticciola. Spostando il
contrappeso anche di poco verso l'esterno non riuscirai a mantenere l'equilibrio della bilancia (accertatene
ponendo la bobina bene a contatto con la calamita e lasciando poi libera la bilancia con cautela). Se la posizione
del contrappeso che produce l’equilibrio è troppo vicina allo zero della scala graduata, il contrappeso è troppo
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grosso. Modificalo in modo da ottenere una posizione d’equilibrio ad almeno 7 – 8 cm dall’origine. Se invece il
contrappeso non riesce ad equilibrare la bilancia nemmeno all’estremo dell’asta, occorre aumentarlo abbastanza
da farlo rientrare nell’asta della bilancia.
Segna con un pennarello sul braccio della bilancia la
posizione dell'anello metallico che realizza l'equilibrio.
Si tratta ora di ridurre la corrente che circola nel1a
bilancia aumentando la resistenza dei circuito ( I V : R) .
Per fare questo,
•
costruisci una resistenza variabile con il filo
resistivo contenuto nel pacchetto avvolgendolo,
per esempio, sopra un pezzo di cartone rigido
rettangolare.
•
Facendo uso di una pinzetta a coccodrillo potrai
inserire nel circuito pezzi di filo di lunghezza
variabile a tua scelta (vedi fig. 17 )
La resistenza variabile si indicherà col simbolo di
fig. 18.
•
Con il circuito di fig. 19 prova a sperimentare e a
rispondere alle seguenti domande :
-che lunghezza di filo resistivo è necessaria per
ridurre a metà la forza tra bobina e calamita
rispetto al circuito di fig. 16 realizzato in
precedenza?
-a che lunghezza di filo resistivo corrisponde la
resistenza interna della bilancia?
(resistenza interna Ri = resistenza della bobina di
filo di rame + resistenza dei contatti)
•
Tenendo conto della resistenza interna Ri della
bilancia prova a variare la resistenza totale del
circuito (Ri + Re ) e a misurare le posizioni del
contrappeso che equilibrano le forze ottenute.
Riporta i dati nella tabella e disegna il grafico dei
dati su un foglio di carta millimetrata o anche nel
tuo quaderno a quadretti.
Assumendo che la forza tra bobina e calamita misuri direttamente l'intensità di corrente del circuito e
applicando la legge di Ohm V = R I (dove V = voltaggio della pila, R = resistenza totale e I = corrente
misurata ) che relazione dovresti verificare fra i dati della tabella?
•
Prova ora a ripetere l'esperimento con due pile in serie.
Se un contrappeso metallico non ti basta a equilibrare la bilancia, prova con due contrappesi uguali
ravvicinati.
•
Confronta i risultati ottenuti con quelli dell'esperimento precedente. La tua"bilancia" per misurare le
correnti adesso è pronta all'uso. Potrai usarla per misurare la corrente che circola nei circuiti che di volta
in volta hai costruito o costruirai, purché in essi la "tensione " sia generata da pila. Ricordati sempre,
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però, che la bilancia ha una resistenza interna Ri.
La bilancia per pesare le correnti è simile agli"amperometri" che vengono comunemente usati negli apparecchi
degli elettrotecnici.
Lo strumento più comune e di più largo uso è il "tester" o strumento universale" nel quale un "amperometro a
bobina e magnete" viene utilizzato per misurare sia correnti, sia tensioni, sia resistenza elettrica (vedi fig.
sotto).
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5)Unità pratiche di misure elettriche
Negli esperimenti fin qui fatti abbiamo misurato la resistenza elettrica esprimendola in cm di filo
resistivo oppure in numero di lampadine accese, senza definire una unità di misura della resistenza.
Lo stesso è stato fatto per la corrente la cui intensità è stata solo paragonata all'intensità luminosa
delle lampadine o al peso dell'anello metallico senza definire una unità di misura della corrente.
Per quello che riguarda invece il voltaggio delle pile abbiamo fin dall'inizio parlato di Volt (che si
indica con il simbolo V ) che è l'unità di misura della "tensione" elettrica.
Le unità pratiche che si incontrano sempre sono per la resistenza elettrica l'Ohm (simbolo Ω) (per
esempio:1 cm. di filo resistivo del pacchetto ha una resistenza R=1,7 Ω.)
Per la corrente l'unità è l'Ampère (simbolo A.).
Nella legge di Ohm:
V=RI
se si misura V in volt e R in ohm,l'intensità di corrente I viene espressa in Ampère.
Facendo uso dei tuoi dati calcola quanti A. circolano nella bilancia collegata direttamente con la
pila da 4,5 V.
Energia elettrica-Fonti di energia
L'elettricità viene usata per azionare motori, fornire luce e per riscaldare, costituisce perciò una
fonte di energia particolarmente comoda. Con che metodi viene prodotta l'elettricità? Esistono altre
fonti di energia? Cosa vuol dire crisi energetica?
Discutine con il tuo insegnante e cerca di procurarti le informazioni necessarie a capire ciò che sta
succedendo al giorno d'oggi.
Nelle misure elettriche, l'energia consumata in un circuito per ogni secondo di tempo è il watt
(simbolo W). (La bolletta della luce è calcolata in base ai chilowattora consumati: un chilowattora
(Kwh ) uguale a 1000 W usati per 1 h).
Per trovare i watt di consumo bisogna moltiplicare i volt usati per gli ampère corrente che circolano
nel circuito :
W=IV
o anche, usando la relazione V= R I,
W = R I2
W = V2/R
Nei negozi di elettricità spesso si confondono i watt di una lampadina con il. numero di “candele” di
luminosità.
Sapendo che la lampadina "consuma" 40 W a 220 V , sei in grado di calcolare gli A che vi
circolano?
Quanti Ω vale la resistenza della lampadina accesa ?
Prova a misurare la resistenza di una lampadina da 40 W di casa tua con la bilancia
elettromagnetica e confronta il risultato con quello calcolato.
Qualcosa non funziona?
Chiedi all'insegnante e discutine con i tuoi compagni.
Sapresti ora calcolare quanti W consuma una lampadina di quelle che hai usato negli esperimenti?
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CAPITOLO III
Norme per l'utilizzazione dell'energia elettrica domestica con assoluta sicurezza.
I circuiti che fanno uso di pile come quelli del pacchetto,non sono pericolosi perché la tensione
elettrica che vi si trova è molto bassa.
Gli incidenti che purtroppo spesso accadono a causa di un errato impiego dell'energia elettrica ci
hanno insegnato che per uccidere un uomo è sufficiente che il suo corpo sia percorso da una
corrente di almeno 0,005 A.
Poiché la resistenza del corpo umano varia tra 10.000Ω e 40.000Ω a seconda delle condizioni nelle
quali si trova; è conveniente calcolare le norme di sicurezza nel caso più sfortunato e, cioè: R =
10.000 Ω e I=0,005A .
Usando la legge di Ohm ne consegue che il massimo voltaggio tollerabile si aggira intorno a
V=R I = 10.000 0,005= 50 V
Si sono verificati casi particolarmente sfortunati in cui la folgorazione è avvenuta con 24 V, però in
presenza di acqua.
La tensione esistente nelle prese elettriche domestiche è 220 V.
Questa tensione non ha un polo positivo ed un polo negativo stabili come le pile ma, per ragioni
pratiche che potrai farti spiegare dal tuo insegnante, presenta due poli che variano 50 volte al
secondo in modo alternato (cioè 50 volte al secondo un polo diventa positivo e negativo
alternativamente).
Per questa ragione si parla di tensione alternata e quando vi si collega un circuito si dice che esso è
percorso da corrente alternata a 50 Hertz.
I circuiti con le pile sono invece percorsi da corrente continua.
Gli effetti della corrente alternata sul corpo umano sono leggermente minori rispetto alla corrente
continua.
E' chiaro comunque che toccare i poli di una presa elettrica domestica può significare morte e che
bisogna rispettare regole ben precise per evitare che ciò accada.
In questo capitolo proviamo a riassumere le norme da seguire nel caso in cui tu voglia mettere le
mani nei circuiti o negli apparecchi domestici.
1) Prima di iniziare qualsiasi lavoro sulla rete elettrica di casa si devono staccare tutti gli
interruttori generali dell'impianto che solitamente nelle case sono messi vicino al contatore.
Per esempio: "salta il fusibile di piombo di una stanza a causa di un corto circuito". La prima
cosa da fare è staccare l’interruttore generale. Mai svitare la copertura del fusibile lasciando
la rete attaccata!!!
Una volta che la rete è staccata si può in tutta sicurezza cambiare il fusibile. Se, riattaccando
gli interruttori generali, il fusibile salta di nuovo, bisogna trovare dove si è verificato il corto
circuito e ripararlo (naturalmente dopo aver staccato nuovamente gli interruttori generali).
Altro esempio- E' bene staccare la rete anche quando si cambia una lampadina bruciata.
Può infatti accadere che avvenga un incidente mortale toccando solo uno dei fili, se il corpo
umano non è ben isolato dal terreno. La terra, contrariamente a quello che si può a prima
vista credere, è un ottimo conduttore di elettricità e l'impianto domestico è sempre a 220 V
di tensione rispetto alla terra.
2) E' buona norma evitare di inserire o staccare spine o azionare interruttori con le mani umide
o bagnate perché l'acqua mista al sudore conduce la corrente e può distruggere l'isolamento
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protettivo delle pelle, non solo, ma può anche penetrare facilmente nelle prese o negli
interruttori collegando il corpo umano con la rete (il che può significare morte!).
3) Anche se nei circuiti che hai realizzato hai fatto poco uso degli isolamenti, ricordati che nel
caso delle pile non erano necessari, a causa del basso voltaggio impiegato.
Non costruire apparecchi o circuiti da utilizzare con la rete domestica senza usare materiali
“a norma”, adatti allo scopo, cioè provvisti degli isolamenti opportuni.
Se colleghi due fili devi aver cura di legarli fra loro con cura e devi ricoprire il metallo con
qualche strato di buon nastro adesivo isolante.
Un apparecchio elettrico mal isolato può significare morte !
Nessuno ti impedisce per esempio di costruirti una lampada da tavolo da attaccare alla rete
domestica,ma per costruirla in modo sicuro dovrai acquistare il portalampada ed il filo da un
elettricista e assicurarti che in nessun punto sporgano parti metalliche o fili scoperti percorsi
da corrente.
Non dimenticare che i bambini toccano dappertutto e che perciò sono più di ogni altro
esposti alle conseguenze mortali dell'elettricità. Se in casa tua ci sono bambini piccoli sarà
bene ridurre al minimo il pericolo coprendo le prese di tensione con "copri-prese " di
plastica che si trovano nei negozi di elettricità.
4) Gli elettrodomestici spesso danno luogo a dispersioni che in casi gravi possono essere
mortali. In Italia si verificano circa tremila incidenti mortali causati da elettrodomestici
utilizzati in modo improprio.
Per evitare questi casi si ricorre alla "presa di terra " che ormai è obbligatoria per legge.
Nonostante questo, nelle case vecchie la presa di terra manca quasi sempre.
Come proteggersi? Innanzitutto bisognerà cercare la causa di dispersioni anche se deboli
ogni volta che si verificheranno. L’uso dei tubi dell'acqua per realizzare una presa di terra di
fortuna è pericoloso e non è consentito dalla legge.
La soluzione migliore per dotarsi della presa di terra è costruirne una per tutto il palazzo
seguendo le norme di sicurezza stabilite dalla legge.
In mancanza della"presa di terra", conviene dotare l’appartamento con un "interruttore
differenziale" o "salvavita", di facile montaggio e reperibile in commercio. Il salvavita
interrompendo l'erogazione dell'energia elettrica ogni qualvolta si verifichi una sia pur
minima dispersione di corrente.