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PARTE VI
TFA I ciclo – Didattica della Fisica 2012-2013
1
Circuiti elettrici
Difficoltà di Apprendimento e proposte di
Insegnamento
TFA I ciclo – Didattica della Fisica 2012-2013
Questionario iniziale
TFA I ciclo – Didattica della Fisica 2012-2013
-
-
+
+
-
3.5
V
1.5
V
1.5
V
1.5
V
+
1.5
V
-
4.5
V
+
1.5
V
3.5
V
+
+
+
-
+
8
-
B
1.5 V
+
1.5 V
-
A +
9
PERCHÉ I CIRCUITI ELETTRICI?
In tutti i curricula di fisica di base
 Sono trattati nei corsi di fisica dei licei (5° anno)
e degli istituti tecnici (2° anno). Spesso solo
teoricamente senza attività di laboratorio
Applicazioni nel quotidiano
 Sono numerose. Esempi sono: impianto
elettrico di case ed auto; alimentazione di
telefoni cellulari, calcolatori, TV; partitori di
tensione; scaldabagni, asciugacapelli, stufe,
ecc…
15
IDEE “INGENUE” E CONOSCENZA COMUNE
Principali Difficoltà di Apprendimento (DA):




significato di corrente elettrica
modelli di conduzione della corrente
corrente che si “consuma”
significati di tensione (o differenza di potenziale, d.d.p.) e
resistenza
 punto di vista locale e sequenziale
 topologia del circuito
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USO COMUNE DI TERMINI LEGATI
ALL’ELETTRICITÀ:
Idee “ingenue” e non corrette
Corrente come energia, oppure potenza o più genericamente
“elettricità”
Tensione come la “forza” di una pila oppure come intensità della
corrente
Resistenza è ostacolo indifferenziato dei conduttori al passaggio
della corrente
La pila è come un generatore di corrente costante
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IDEE “INGENUE”: QUANDO SI ACCENDE
UNA LAMPADINA?
Circuito e corrente
Esiste qualcosa (detto elettricità o corrente) che si muove
tra batteria e lampadina
È sufficiente un solo filo tra batteria e lampadina per farla
accendere
Un secondo filo serve solo per portare più corrente alla
lampadina oppure per trasportare una corrente opposta
alla prima; le due correnti si “scontrano” nella lampadina
che così si accende
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IDEE INGENUE: LA CORRENTE SI “CONSUMA”
Circuito con lampadine uguali in serie:
L’intensità di corrente nella seconda lampadina è minore che
nella prima perché in parte si è già consumata e così via
Questo “consumo” della corrente nel passare attraverso una
lampadina è inteso come causa della diminuzione dell’intensità
e qualità della corrente
19
SIGNIFICATO DI TENSIONE O D.D.P.
Alcune idee “ingenue” e DA
 tensione può indicare: - quanta energia o elettricità esiste in
una batteria; - quanta corrente, energia o elettricità è
consumata da un apparecchio; - “forza” della corrente
 Prevedere la tensione ai capi di un interruttore aperto e di due
pile in serie o in parallelo
 distinguere potenziale in un punto e d.d.p. tra due punti di un
circuito
 uso della parola Volt, senza riconoscerne il significato
20
SIGNIFICATO DI RESISTENZA
DA nel comprendere:
 il ruolo dei resistori come regolatori della corrente
 il significato della relazione V = R I
 cosa accade quando vi è un corto circuito
 cosa accade quando in un circuito sono aggiunti resistori in
serie o in parallelo
21
PUNTI DI VISTA “INGENUI” SUI CIRCUITI
Punto di vista locale:
Si focalizza l’attenzione su un elemento o una zona del circuito
ignorando il resto
Allo stesso modo non si è consapevoli che cambiamenti in un
punto qualsiasi del circuito comportano cambiamenti in tutto il
circuito
Ad esempio si ritiene che la corrente erogata dalla pila sia
sempre uguale quale che sia il circuito. Ciò emerge soprattutto
nell’analisi di circuiti rappresentati graficamente in maniera non
usuale
22
PUNTI DI VISTA “INGENUI” SUI CIRCUITI
Punto di vista sequenziale:
Si analizza il funzionamento del circuito in termini di elementi
attraversati “prima” e “dopo” dalla corrente
Cambiamenti in una zona del circuito influenzano ciò che
accade “dopo”, ma non ciò che accade “prima”.
Ad esempio, si ritiene che, aggiungendo ad un circuito con
due resistori in serie, un resistore in parallelo al secondo
resistore, la coerente nel primo resti uguale
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TOPOLOGIA DEI CIRCUITI
Alcune DA comuni e robuste:
 Confondere connessioni in serie ed in parallelo
 Non aver chiaro che la corrente dipende dalla topologia del circuito
 Confusione fra connessioni elettriche di elementi circuitali e loro
rappresentazione grafica
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POSSIBILI RIMEDI
Esiste qualcosa (detto elettricità o corrente) che
si muove tra batteria e lampadina
Aiutare ad esplicitare cosa si muove, che
proprietà esso abbia, come si vuole chiamarlo,
da dove viene, che ruolo hanno
pila e
lampadina, …
Aiutare a comprendere il ruolo delle connessioni
tra batteria e lampadina
Basta un solo filo tra batteria e lampadina
perché essa si accenda
aiutare a capire che il circuito deve essere
chiuso perché vi scorra una corrente
-
chiarire bipolarità di pila e lampadina (esame
sperimentale)
-
far esplicitare perché un solo filo è sufficiente
affinché vi sia passaggio di corrente
-
Un secondo filo tra batteria e lampadina serve solo a
portare più corrente alla lampadina che quindi brilla
di più
- Insistere sul concetto di circuito chiuso
Far esplicitare perché il secondo filo aumenterebbe la
corrente e da dove la prenderebbe
-
Aiutare a capire che nel circuito pila-lampadina, il valore
della corrente (unico) dipende dal tipo di pila e lampadina
-
-
Mostrare cosa accade se si rimuove il secondo filo
Il secondo filo tra batteria e lampadina porta
una corrente opposta a quella del primo filo; le
due correnti si “scontrano” nella lampadina che
perciò si accende
far esplicitare perché due correnti opposte; da
dove vengono e perché si “scontrano”
- chiarire che bipolarità di pila non è sorgente di
correnti di segno opposto
- far osservare cosa accade invertendo la polarità
con cui la pila è connessa alla lampadina
- far osservare cosa accade invertendo la polarità
con cui la lampadina è connessa alla pila
-
La corrente si consuma
-Far
esplicitare perché la corrente I si “consuma”
e cosa lo produce
- Confrontare punti di vista sul “consumo” di I
- Quali elementi del circuito fanno “indebolire” la
corrente?
- Che vuol dire “consumo di corrente” nel
linguaggio comune?
- Analizzare una fattura di consumi elettrici di
casa
- Far costruire un circuito con due lampadine e
scambiarne la posizione
Tensione elettrica



Indagare idea di Tensione. Può essere intesa
come: - quanta energia o elettricità c’è in una
pila; - quanta elettricità, corrente, energia è
usata da qualcosa; - “forza” della corrente; “potenza” della pila
Spesso c’è uso della legge di Ohm V = IR come
fosse universale, senza riconoscere i limiti di
validità
Trascurare
sempre
la
resistenza
dei
collegamenti
Punto di vista locale




chiedere di spiegare la risposta: attenzione ad
eventuali ragionamenti del tipo “la pila eroga
sempre la stessa corrente”
far riflettere sul fatto che aggiungere un
resistore in parallelo ad un altro comporta una
diminuzione della resistenza totale; ciò quindi
fa aumentare la corrente erogata dalla pila
chiedere
quali
valori
misurerebbe
l’amperometro A se posto in altri punti del
circuito
chiedere cosa accadrebbe se si aggiungesse una
resistenza in serie a R
Punto di vista sequenziale

Si analizza il funzionamento del circuito in
termini di elementi attraversati “prima” e
“dopo” dalla corrente

Cambiamenti in una zona del circuito
influenzano solo ciò che accade “dopo”, ma non
ciò che accade “prima”.

Es: si ritiene che, in un circuito con due resistori
in serie, aggiungendo un terzo resistore, in
parallelo ad uno dei due precedenti, la corrente
nell’ altro resti uguale
Topologia dei circuiti




Chiarire che due elementi bipolari sono in serie
se esiste una connessione tra uno solo dei loro
poli, mentre sono in parallelo se i loro poli sono
connessi a due a due
Far attenzione a frasi tipo: “i due elementi sono
in serie perché sono uno dopo l’altro” oppure
“sono in parallelo perché uno di fronte all’altro”.
Possono evocare un punto di vista sequenziale o
locale
Far esercitare su schemi di circuiti non
convenzionali
Mostrare circuiti reali con connessioni serie e
parallelo e chiedere di disegnare schemi con le
stesse connessioni ma diversa disposizione
spaziale degli elementi
VELOCITÀ DI DERIVA
 La
vmedia dei portatori di carica è detta velocità
di deriva
 Calcolo dell’ordine di grandezza per un filo di
rame di raggio 1 mm percorso da corrente di 1A:
I  JS  nevd  r 2
N A Cu 6,02*1023 *8,9 3
n

cm  8, 4*1022 cm 3
PCu
63,5
 r 2  3,14*102 cm2
e  1.6*1019 As
vd 
I
1A
1
3


0,024*10
cm
/
s

2,
4*10
cm / s
2
22
19
2
1
ne r 8, 4*10 *1.6*10 *3,14*10 cm As
35
DOMANDE DIFFICILIPER GLI STUDENTI
Abbiamo visto che, in un circuito con una pila ed una
lampadina accesa, il campo elettrico nel filamento della
lampadina è diverso da zero perché la velocità media dei
portatori di carica è diversa da zero. Ma quali sono le sorgenti
di questo campo elettrico?
 Qual è la differenza tra gli estremi di un conduttore percorso
da corrente I?
 Se in un circuito elettrico chiuso ed alimentato da una pila ho
un filo conduttore curvato ad U, come è diretto il campo
elettrico nella curva?
 Come fa la corrente a sapere che ad un nodo si deve dividere?
 La differenza di potenziale ai capi di un filo elettrico di
lunghezza l percorso da corrente I è nulla, quindi il campo
elettrico E nel filo è nullo. Ma E è proporzionale a J e quindi
anche J dovrebbe essere zero. Ma se J=0 anche I=0. Com’è
possibile?

36
ALCUNE STRATEGIE DIDATTICHE PER AFFRONTARE I CIRCUITI
ELETTRICI

Sherwood & Chabay (2004): cariche di superficie
 Questa strategia mira a fornire agli studenti il meccanismo di funzionamento dei circuiti
a livello microscopico. In particolare si guida gli studenti a capire che, in condizioni
stazionarie, dopo un transitorio, la corrente che si stabilisce nei fili di un circuito è
proporzionale ad un campo elettrico che è il risultato della composizione del campo
elettrico dovuto al generatore inserito nel circuito e ad un campo dovuto alla
distribuzione delle cariche elettriche che si dispongono in maniera appropriata sulla
superficie dei fili conduttori del circuito
 Si adotta essenzialmente un modello di filo conduttore come sequenza di anelli di
carica. Si guida gli studenti a comprendere che un gradiente della densità di cariche
superficiali contribuisce allo stabilirsi di un campo elettrico all’interno del filo. Due
anelli di uguale densità di carica producono un campo nullo nello spazio tra essi
compreso, mentre anelli di differente densità di carica producono un campo diverso da
zero nello spazio tra essi compreso
 Si introduce in seguito la d.d.p. tra due punti di un circuito come l’integrale di linea del
campo elettrico risultante in un filo conduttore. Si distingue anche tra forza
elettromotrice (cioè lavoro non-Coloumbiano per unità di carica) e differenza di
potenziale (cioè integrale di linea del campo dovuto all’interazione di Coloumb delle
cariche di superficie
-- --
ER
Es
-
Ed
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-
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FINE VI PARTE