https://www.youtube.com/watch?v=l7QQv-H54Wc Prof. A.Battistelli 11 Il magnetismo e l’elettricità sono indispensabili per il funzionamento di moltissime macchine che utilizziamo quotidianamente prof. A.Battistelli 2 I magneti sono quei materiali che sono in grado di attrarre alcuni metalli, come il ferro o l’acciaio. Possono essere delle pietre o metalli magnetizzati. Lo stesso ferro può attrarre altro ferro se percorso da corrente elettrica: si magnetizza. Togliendo la corrente il pezzo di ferro si smagnetizza. Si possono magnetizzare stabilmente oggetti in acciaio temperato. prof. A.Battistelli 3 S N S N Ogni calamita ha due poli opposti, Nord e Sud. I poli opposti si attraggono S N N S e quelli uguali si respingono Spezzando una calamita otterremo altre calamite con ciascuna un polo Nord e un polo Sud. prof. A.Battistelli 4 N S La capacità di attrarre il ferro segue delle linee di forza dette «campo magnetico». Anche la terra ha un proprio campo magnetico Anche la terra ha un campo magnetico, come una grande calamita prof. A.Battistelli 5 Struttura dell’atomo: • al centro > nucleo formato da protoni e neutroni (ben legati tra di loro) • Esterno > elettroni che girano lontano dal nucleo I protoni, dotati di carica elettrica positiva, attraggono gli elettroni, di carica negativa, con una forza elettrica. Elettricità =“colla” che tiene insieme l’atomo. prof. A.Battistelli 6 - + CARICHE OPPOSTE SI AVVICINANO + + CARICHE UGUALI SI ALLONTANANO - - CARICHE UGUALI SI ALLONTANANO Proprio come per una calamita, gli opposti si attraggono. Video: https://www.youtube.com/watch?v=FHqyYLX3dAc GIOCA CON L’ELETTRICITÀ STATICA: https://phet.colorado.edu/sims/html/balloons-and-static-electricity/latest/balloons-and-static-electricity_en.html prof. A.Battistelli 7 Alcuni materiali si elettrizzano quando viene a mancare l’equilibrio tra cariche positive e cariche negative. I materiali isolanti, che non sono capaci di trasportare le cariche, elettriche possono accumulare cariche positive o negative sulla superficie. Alcuni materiali si caricano positivamente o negativamente strofinandoli ad esempio con un panno di lana o sintetico. I metalli non sono in grado di caricarsi, perché la carica elettrica viene trasmessa e non accumulata in modo elettrostatico. Video: https://www.youtube.com/watch?v=FHqyYLX3dAc GIOCA CON L’ELETTRICITÀ STATICA: https://phet.colorado.edu/sims/html/balloons-and-static-electricity/latest/balloons-and-static-electricity_en.html prof. A.Battistelli 8 Conduttori: materiali che si lasciano attraversare con facilità dalla corrente elettrica • Metalli • soluzioni elettrolitiche (per esempio acqua e sale) • gas ionizzanti (come all’interno dei tubi al neon). Isolanti: • Ceramica • Vetro • materie plastiche e gomma • legno secco • Olio • altre sostanze che impediscono il passaggio della corrente elettrica Video: https://www.youtube.com/watch?v=FHqyYLX3dAc prof. A.Battistelli 9 I metalli sono materiali conduttori, quindi non sono in grado di caricarsi, perché la carica elettrica viene trasmessa e non accumulata in modo elettrostatico. La conducibilità dei metalli è dimostrabile con l’elettroscopio. Carichiamo una bacchetta di vetro o di plastica strofinandola con della lana. Avviciniamo la bacchetta caricata elettrostaticamente al filo di rame sopra l’elettroscopio. Il filo trasmetterà la carica alle lamine di alluminio che, ricevuta la stessa carica, si allontaneranno. prof. A.Battistelli 10 Ciò che si muove non è una «carica», ma sono gli elettroni liberi degli atomi dei conduttori. Quando il conduttore fa parte di un circuito elettrico chiuso, con generatore di elettricità, gli elettroni liberi si muovono, tra un atomo all’altro, in direzione della carica positiva In un conduttore non collegato a un generatore di energia elettrica o non in contatto con una carica elettrostatica, gli elettroni liberi si muovono tra un atomo all’altro, rimanendo nella stessa zona. prof. A.Battistelli 11 Circuito aperto e scollegato: cavo di rame libero Circuito chiuso, con generatore: il cavo di rame collega una pila e una lampadina. Nel metallo del filo, gli elettroni liberi passano da un atomo all’altro, rimanendo nella stessa zona. Gli elettroni liberi si muovono a zig zag verso il morsetto positivo della pila, dal quale sono attratti. prof. A.Battistelli 12 Vantaggi: È un’energia comoda e facile da usare, perché: • può essere trasformata facilmente in altre forme di energia • Si può trasportare istantaneamente ovunque, con relativa facilità • Durante il trasporto e la trasformazione non rilascia fumi o inquinanti Svantaggi • La produzione di elettricità da alcune fonti comporta una notevole perdita dell’energia iniziale • L’elettricità non può essere convenientemente accumulata • Il trasporto dell’elettricità comporta una notevole perdita energetica prof. A.Battistelli 13 Intensità di corrente Tensione Resistenza L’intensità di corrente si misura in ampere (A) ed è la quantità di elettroni che attraversano una sezione di circuito in un secondo. La tensione elettrica è il dislivello elettrico, ovvero l’eccesso di elettroni in un polo e le lacune (mancanza di elettroni) nell’altro polo e si misura in volt (V). Questo dislivello è creato dal generatore di corrente. E’ la capacità di un conduttore di opporsi al passaggio di corrente; si misura in ohm (Ω) e dipende dal materiale, dalla sezione e dalla lunghezza del conduttore. Effetto joule: parte dell’energia elettrica si trasforma in calore (fino 1 A (ampere) = 6 miliardi di miliardi di elettroni al secondo. prof. A.Battistelli all’incandescenza=luce). 14 I=V/R L’intensità della corrente I (ampere) (quanta ne passa in una sezione del filo) dipende dalla differenza di voltaggio V (volt) ed è frenata (nella formula si divide) dalla resistenza R (Ω ohm) del conduttore (quanto il filo frena il passaggio della corrente) VIDEO: http://www.raiscuola.rai.it/articoli/la-legge-di-ohm/9644/default.aspx GIOCA CON LA LEGGE DI OHM: https://phet.colorado.edu/sims/html/ohms-law/latest/ohms-law_en.html prof. A.Battistelli 15 L’elettricità che attraversa un circuito può essere trasformata in calore o in lavoro (energia meccanica) secondo la formula: P(watt) = V(volt) x I(ampere) L’energia liberata (trasformabile in lavoro o calore) P dipende dal voltaggio V e dall’intensità della corrente I https://phet.colorado.edu/sims/html/ohms-law/latest/ohms-law_en.html (interazioni tra resistenza, intensità e voltaggio) https://www.youtube.com/watch?v=l7QQv-H54Wc (cariche, differenza di voltaggio, resistenza) prof. A.Battistelli 16 E(Kwattora) = P(Kwatt) x t(ore) L’energia E consumata da un apparecchio (trasformata in lavoro o calore) in un intervallo di tempo, dipende dalla potenza P (in Kwatt) e dal tempo di utilizzo t (in ore) prof. A.Battistelli 17 Circuito in serie Circuito in parallelo VIDEO: https://www.youtube.com/watch?v=s8wFk6zAnJg https://www.youtube.com/watch?v=kZtxgEn5bPk https://www.youtube.com/watch?v=Ary2LRnRpvQ prof. A.Battistelli 18 Un circuito elementare è costituito da: • Un generatore di corrente • Un apparecchio utilizzatore • I fili conduttori di collegamento • Un interruttore Circuito aperto = spento Circuito chiuso = acceso prof. A.Battistelli 19 Ogni apparecchio è collegato in fila con gli altri (in serie) sulla linea di alimentazione e la tensione del generatore è divisa tra le singole lampade. 4,5 V • • • • R1 Componenti: 1 pila da 4,5 volt 3 lampade da 1,5 volt 3 interruttori filo elettrico. prof. A.Battistelli R2 R3 Rtot = R1 + R2 + R3 Formula facoltativa 20 Calcola resistenza totale del circuito in foto, poi calcola l’intensità di energia elettrica che passa ognuna delle resistenze 4,5 V R1 R2 DATI: Lampadine da 1,5 V Pila da 4,5 V R3 Sapendo che: Rtot = R1 + R2 + R3 I = I 1 = I2 = I3 I=V/R P = V * I Quindi P = V2 / R Quindi R = V2 * P Ricercando prodotti su internet: Lampada standard per auto e moto, tipo miniature: 1,5 Volt, 0,09 Watt [ Ricorda invece la differenza di potenziale V = V1 + V2 + V3 ] Lampada per fanali di bicicletta a sfera: 1,5 Volt, 0,3 Watt R1 = 1,5 2 * 0,09 Resistenza di una lampadina Ω Rtot = 1,5 2 * 0,09 * 3 Resistenza di 3 lampadine Rtot = 0,6 Ω I = 4,5 / 0,6 = 0,75 A Intensità della corrente elettrica Che passa per ciascuna lampadina prof. A.Battistelli Ora prova tu! Facoltativo 21 Ogni apparecchio è collegato con una linea indipendente (in parallelo) alla linea di alimentazione e funziona alla tensione del generatore. Componenti: 1 pila da 4,5 volt 3 lampade da 1,5 volt 1 o 3 interruttori filo elettrico Rtot = 1/(1/R1 + 1/R2 + 1/R3) 4,5 V prof. A.Battistelli R1 R2 Formula facoltativa R3 22 Calcola resistenza totale del circuito in foto, poi calcola l’intensità di energia elettrica che passa ognuna delle resistenze 4,5 V DATI: Lampadine da 1,5 V Pila da 4,5 V Sapendo che: I=V/R Rtot = R1 * R2 / (R1 + R2 ) P = V * I Quindi P = R1 V2 R2 I = I 1 + I2 R1=R2 Rtot = R12 / (R1 * 2) / R Quindi R = V2 *P [ Ricorda invece la differenza di potenziale V = V1 = V2 ] Ricercando prodotti su internet: Lampada standard per auto e moto, tipo miniature: 1,5 Volt, 0,09 Watt R1 = 1,5 2 * 0,09 Resistenza di una lampadina 0,20 Ω Lampada per fanali di bicicletta a sfera: 1,5 Volt, 0,3 Watt Ora prova tu! Resistenza di 2 lampadine Rtot = 0,1 Ω Intensità della corrente elettrica I1 = 4,5 / 0,1 / 2 = 22,5 A che passa per ciascuna lampadina Rtot = 0,202 /( 0,20 * 2) prof. A.Battistelli Facoltativo 23 • • • • • • • La corrente elettrica segue un unico filo, quindi è sempre uguale. Cambia la differenza di voltaggio dopo ciascuna resistenza (lampadina in questi esempi). Es. luci di Natale Le lampadine illuminarsi a intensità minore, se troppe, perché l’intensità totale è sempre la stessa (più sono gli utilizzatori e più è suddivisa) Le lampadine sono tutte accese o tutte spente Se si spegne, toglie o fulmina una lampadina, tutte le lampadine si spengono. La corrente elettrica segue un unico filo, quindi viene divisa, seguendo diversi percorsi. L’intensità totale è data dalla somma dell’intensità a livello di ciascun utilizzatore. Es. impianto della casa • • prof. A.Battistelli Le lampadine s’illuminano con la stessa intensità iniziale, ma la pila si esaurisce prima Le lampadine si possono accendere separatamente; se si fulmina o toglie una lampadina, le altre possono essere accese. VIDEO DIFFICILE: https://www.youtube.com/watch?v=Zg4kdK1Y14w 24 Pila Accumulatore Alternatore prof. A.Battistelli 25 Accumulatore per automobile formato da sei celle. Pila e batteria La pila è un dispositivo che trasforma energia chimica in energia elettrica. L’accumulatore accumula energia elettrica sotto forma di energia chimica e la eroga a un utilizzatore. L’energia chimica accumulata può essere trasformata in energia elettrica e viceversa. Questo processo di carica e di scarica può essere ripetuto molte volte. prof. A.Battistelli 26 La pila di Volta Il primo generatore di elettricità è stato inventato da Alessandro Volta nel 1799. Era costituita da strati di rame e di zinco separati da un panno imbevuto da una soluzione acquosa acidula. Vedi: EFFETTO CHIMICO Costruisci la pila di volta: https://www.youtube.com/watch?v=hFITFrb4u64 prof. A.Battistelli 27 Approfondimento facoltativo Pila comune E’ formata da tre parti principali: - il contenitore cilindrico di zinco è il polo negativo (-); - l’elettrolita è la pasta nerastra con sali di ammoniaca che riempie il contenitore; - il bastoncino di carbone affondato nella pasta è il polo positivo (+). prof. A.Battistelli 28 Pila alcalina: è una pila a lunga durata costituite da zinco, ossido di mercurio e un elettrolita. Ha una durata superiore alle pile comuni. Pila a bottone all’ossido di argento Si tratta di una pila alcalina in cui l’elettrolita è ossido di argento, che ne consente un voltaggio superiore (1,5 volt). Approfondimento facoltativo Pile in serie: se si collegano in serie più pile da 1,5 volt, si ottengono tensioni multiple. prof. A.Battistelli 29 Approfondimento facoltativo L’alternatore è una macchina rotante che, quando gira, genera corrente alternata. La dinamo delle biciclette è un piccolo generatore costituito da: • un rotore • magnete cilindrico con quattro poli Nord e quattro poli Sud • uno statore, costituito da otto piastre di ferro a contatto con un rocchetto di filo di rame con moltissimi elettroni liberi • una lampadina, collegata col filo di rame VIDEO (Induzione elettrica): http://www.raiscuola.rai.it/articoli/l-induzione-elettromagnetica-la-scienza-per-concetti/9028/default.aspx prof. A.Battistelli 30 Bobina Magnete Voltometro Una bobina percorsa da corrente elettrica sviluppa un campo magnetico Da energia meccanica a energia elettrica Muovendo un magnete all’interno di una spira di filo conduttore, si sviluppa una tensione elettrica alle estremità della bobina, generando flussi di elettroni. Quest’effetto è detto induzione elettromagnetica Su tale effetto si basa il funzionamento delle macchine che trasformano l’energia meccanica in elettrica e viceversa (es. motori, dinamo, centrali..). INDUZIONE ELETTRICA GIOCO: https://phet.colorado.edu/sims/html/faradays-law/latest/faradays-law_en.html VIDEO: http://www.raiscuola.rai.it/articoli/l-induzione-elettromagnetica-la-scienza-per-concetti/9028/default.aspx prof. A.Battistelli 31 Generatore di corrente alternata Rotore = parte che ruota Generatore di corrente alternata Statore = parte fissa Generatore di corrente continua dinamo L’effetto dell’induzione elettrica si sviluppa anche facendo girare un filo conduttore o una spirale all’interno di un magnete (o viceversa), trasformando energia meccanica di rotazione in energia elettrica. A seconda della disposizione delle spazzole ottengo corrente continua e corrente alternata, cioè che cambia continuamente verso. VIDEO (Induzione elettrica: http://www.raiscuola.rai.it/articoli/l-induzione-elettromagnetica-la-scienza-per-concetti/9028/default.aspx prof. A.Battistelli 32 Effetto termico Effetto luminoso Effetto meccanico Effetto magnetico Effetto chimico Effetto elettrostatico Effetto fisiologico https://www.youtube.com/watch?v=l7QQv-H54Wc prof. A.Battistelli 33 Tenendo in mano una pila tra un filo di rame, noti presto che il circuito si scalda. La corsa degli elettroni scalda la «strada percorsa» cioè il filo conduttore nel quale passa l’elettricità. Più la strada rallenta la corsa degli elettroni e più si scalda. Quando si scalda molto, può trasformarsi in luce. Il calore prodotto per effetto Joule è direttamente proporzionale alla resistenza del conduttore e al quadrato dell'intensità della corrente che lo attraversa. La resistenza elettrica è quindi l'attitudine (capacità) di un conduttore a trasformare l'energia elettrica che lo percorre in calore prof. A.Battistelli 34 Approfondimento facoltativo È formato da: una piastra riscaldata grazie ad una resistenza e forata, per l’uscita del vapore un manico con attacco del filo elettrico e pulsanti per il vapore un serbatoio dell’acqua Un termostato per la regolazione della temperatura della piastra Come funziona: Una resistenza metallica trasforma energia elettrica in calore, riscaldando la piastra. prof. A.Battistelli 35 Lampada a incandescenza: Ora non più in commercio perché consumava molto e permetteva solo circa 1000 ore di accensione (salvo miniature). Lampada a fluorescenza: un poco più costosa, ma è molto efficiente delle vecchie lampadine, cioè consuma poco rispetto alla luce che emette, inoltre dura 8/10 volte di più. È inquinante e pericolosa per la salute: se rotta, dev’essere raccolta con guanti e fatto areare il locale https://www.youtube.com/watch?v=4bUh-6sAdn8 FLUERESCENZA VS LED: http://www.ilpost.it/2016/02/22/lampadina-fluorescenza-compatta-cfl-led/ Lampada a LED: Costosa, ma di lunga durata e molto efficiente: consuma meno degli altri tipi. Composta da molti LED (diodi) e un trasformatore. prof. A.Battistelli Diode: trasforma l’elettricità in fotoni = luce. Si lascia attraversare dalla corrente elettrica solo da un verso. 36 EFFICIENZA Rapporto tra luce emessa e la potenza utilizzata W (consumo). TEMPERATURA DI COLORE Corrisponde a quanto è brillante la luce emessa e al colore più freddo o più caldo. DURATA Corrisponde alle ore di vita della lampadina, prima della rottura. Approfondimento facoltativo Scala delle temperature di colore prof. A.Battistelli 37 È formato da tre elementi: il basamento che contiene il motore con la parte elettrica e l’albero motore; il bicchiere dotato sul fondo di un utensile formato da sei fruste di metallo; il motore formato da due pezzi: la parte fissa (statore) e la parte rotante (rotore). Come funziona: Un motore elettrico trasforma energia elettrica in movimento (energia meccanica di rotazione). Meccanismo di un ventilatore prof. A.Battistelli 38 Costruisci un campanello in lattina http://www.bigshotcamera.com/fun/buildables/buzzer#01 Approfondimento facoltativo Componenti: una parte meccanica (campana metallica e martelletto) e da un circuito elettrico con un elettromagnete. Come funziona: premendo il pulsante si chiude il circuito elettrico, l’elettricità passa lungo il filo e l’elettromagnete si magnetizza, attirando la lamina che termina con il martelletto che batte sul campanello; allo stesso tempo si interrompe il contatto con la vite, l’elettromagnete si smagnetizza e la lamina flessibile torna nella posizione di partenza. Tenendo premuto il pulsante, ovvero chiuso il circuito, in ciclo continua. prof. A.Battistelli 39 Video magnetismo ed elettricità: https://www.youtube.com/watch?v=yrb-k9UbnW0 Questo video spiega in modo esaustivo la relazione tra elettricità e magnetismo, proponendo anche proposte di esperimenti facilmente realizzabili. Video: www.youtube.com/watch?v=TKNkTDG9bTg Questo video di EniScuola mostra come costruire un semplice motore (dispositivo che gira), con del filo di rame, due cavetti, un magnete, due spille, una pila e un pezzo di legno. Crea una bobina di filo di rame (facendo girare il filo di rame su un tubo di circa 2 cm di diametro) e arrotola il filo delle due estremità intorno alla bobina. Lascia 2/3 cm di filo alle estremità. Infilza le 2 spille a balia, parallele e alla stessa altezza, sul pezzo di legno. Appoggia tra di esse il magnete e infila le etremità della bobina negli anelli delle spille a balia. Fai in modo che la bobina possa ruotare liberamente. Collega ognuno dei 2 cavetti a una spilla e a un polo della pila. La bobina comincerà a ruotare 40 su sé stessa. prof. A.Battistelli Pila di Daniel Approfondimento facoltativo Pila e batteria All’interno di una pila una sostanza perde elettroni (ossidazione) e un’altra li acquista (riduzione). Una pila è scarica quando queste reazioni raggiungono uno stato di equilibrio Frutta, verdura e tuberi come pile Si può trasformare anche l’energia chimica di un limone o una patata in energia elettrica. Costruisci la pila di volta: https://www.youtube.com/watch?v=hFITFrb4u64 prof. A.Battistelli 41 Una barretta di plastica o di vetro (materiali isolanti), strofinata con un panno di lana, acquisisce la capacità di attirare piccoli oggetti, come pezzetti di carta. Lo strofinamento produce, nei materiali isolanti, uno spostamento delle cariche, positive e negative, che si allontanano. La bacchetta di vetro si carica esternamente positivamente e quella di plastica negativamente. Entrambe si respingono se dello stesso materiale e viceversa. Fulmini: è per lo sfregamento tra minuscole gocce d’acqua che nelle nuvole si creano zone caricate elettricamente (-). VIDEO: https://www.youtube.com/watch?v=FHqyYLX3dAc GIOCA CON L’ELETTRICITÀ STATICA: https://phet.colorado.edu/sims/html/balloons-and-static-electricity/latest/balloons-and-static-electricity_en.html prof. A.Battistelli 42 Approfondimento facoltativo prof. A.Battistelli 43 È l’azione che l’elettricità può compiere su un organismo vivente. Contatto diretto: la donna tocca un filo scoperto in tensione senza saperlo; se le suole sono di gomma non prende la scossa. Contatto indiretto: il ragazzo tocca la lavatrice che è in tensione per un cavo elettrico difettoso a sua insaputa. prof. A.Battistelli 44 prof. A.Battistelli 45 Contatto diretto: lavorando su una presa o cambiando una lampadina senza avere staccato l’interruttore generale (se si tocca per errore i cavi). Contatto diretto: toccando un filo scoperto collegato alla presa con calzature con suole non di gomma o legno. prof. A.Battistelli Contatto indiretto: toccando la lavatrice che ha al suo interno un cavo elettrico difettoso. 46 Non tenere apparecchi elettrici sul bordo della vasca o lavandino. Non impugnare l’asciugacapelli con le mani bagnate. Non toccare la vite metallica del portalampada per cambiare una lampadina. Non avvolgere il filo sul ferro da stiro caldo. prof. A.Battistelli 47 prof. A.Battistelli 48 Approfondimento facoltativo La tabella mostra i consumi approssimativi dei vari apparecchi: - gli apparecchi con resistenza richiedono molta energia; - gli apparecchi con solo motore consumano molto meno; - gli apparecchi “luce e suono”, assorbono poca potenza. Compito di realtà: Calcola i consumi settimanali ipotizzando l’uso dell’asciugacapelli per ½ la settimana, 3 h di lavatrici, 2 h di ferro da stiro, 2 h di aspirapolvere, 4 ore (in media) al giorno di accensione di 3 lampade da 20 W e 2 h di 1 da 10 W, 3 h al giorno di TV/stereo mini, 17 Wh di forno elettrico. prof. A.Battistelli 49 Approfondimento facoltativo La potenza impegnata è quella disponibile in ogni appartamento in base al contratto con la Società Elettrica. Essa è riportata anche sulla bolletta bimestrale. prof. A.Battistelli 50 Scaldabagno elettrico: è l’apparecchio che più incide sui consumi; è meglio scegliere un modello di dimensioni non eccessive. Lavatrice: i consumi riguardano soprattutto l’energia necessaria per scaldare l’acqua. Utilizzare la lavatrice a pieno carico e preferire i programmi di lavaggio a temperature non elevate. Lavastoviglie: i consumi dipendono soprattutto dall’energia per scaldare l’acqua. Utilizzare la lavastoviglie solo a pieno carico. Frigorifero: scegliere un modello di dimensioni adeguate. Approfondimento Illuminazione: non tenere le lampade accese inutilmente. facoltativo prof. A.Battistelli 51 IMPORTANTE! Fonte ENEA L’etichetta energetica è la carta d’identità degli elettrodomestici. La classe A+++ è quella che garantisce il maggior risparmio, quella D è la più energivora. L’etichetta contiene anche una serie d’informazioni utili sul prodotto, come l’efficienza, il rumore,.. http://www.enea.it/it/pubblicazioni/pdf-opuscoli/OpuscoloEtichettaEnergetica.pdf prof. A.Battistelli 52