Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo
1. Le forze elettriche
2. La corrente elettrica e i circuiti
3. La resistenza elettrica e le leggi di Ohm
4. Le forze magnetiche
5. L’elettromagnetismo
Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011
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Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo
Indice
Le forze elettriche
Fate a pezzettini
un foglio di carta.
Poi strofinate un oggetto
di plastica o di vetro
su un maglione di lana.
Se ora avvicinate
l’oggetto strofinato
ai pezzetti di carta,
che cosa succederà?
L’oggetto strofinato
attira la carta
ed è in grado di sollevarla.
Questo pettine è stato elettrizzato per strofinio
e ora esercita una forza elettrica sulla carta.
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Le forze elettriche
La forza elettrica
agisce a distanza.
Infatti basta che l’oggetto
elettrizzato si avvicini
ai pezzettini di carta,
senza toccarli,
perché essi sentano
la forza di attrazione.
Ogni oggetto elettrizzato
crea intorno a sé un
invisibile campo di forza:
il campo elettrico.
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Le forze elettriche
Le forze elettriche possono essere attrattive oppure repulsive
• elettricità positiva:
la plastica e il vetro
elettrizzati si attraggono
è quella acquistata
per strofinio
dalle sostanze
come il vetro
• elettricità negativa:
due fogli di plastica elettrizzata
si respingono
è quella acquistata
per strofinio
dalle sostanze
come la plastica
Gli oggetti elettricamente carichi
si respingono se la loro elettricità è dello stesso tipo,
ma si attraggono se la loro elettricità è di tipo opposto.
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Le forze elettriche: da dove hanno origine?
elettrone
bottiglia
di vetro
strofinata
penna di plastica
strofinata
Quando si strofina contro la lana
un oggetto di plastica, alcuni
elettroni degli atomi della lana
si trasferiscono sulla plastica.
Quando si strofina contro la lana
un oggetto di vetro, alcuni
elettroni degli atomi del vetro
si trasferiscono sulla lana.
Così la plastica
si carica negativamente.
Così il vetro
si carica positivamente.
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I conduttori e gli isolanti
isolanti
isolanti elettrici = sostanze
in cui le cariche in eccesso
si muovono con difficoltà
conduttori
conduttori elettrici = sostanze
in cui le cariche in eccesso
si spostano facilmente
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L’elettrizzazione per induzione
Ma perché la carta che è
neutra, cioè non elettrizzata,
risente dell’attrazione elettrica
della plastica e del vetro?
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L’elettrizzazione per induzione
bottiglia di vetro
strofinata
penna di plastica
strofinata
L’oggetto strofinato genera intorno
a sé un campo elettrico.
Il campo elettrico induce
la separazione delle cariche, perciò
si parla di induzione elettrica.
Quando la carta si trova nel campo
elettrico, le cariche elettriche
dentro la carta si ridistribuiscono.
Nei due casi le cariche sono opposte,
ma il risultato finale è lo stesso:
l’oggetto e la carta si attraggono.
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La corrente elettrica
Che cosa tiene
accesa questa
lampada?
La corrente elettrica!
È un flusso
di elettroni
degli atomi
nel filo conduttore.
Gli elettroni migrano
tutti nella stessa
direzione.
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Un circuito idraulico
per aiutare a capire
la corrente elettrica
pompa
flusso del liquido
pressione
maggiore
pressione
minore
La pompa trasferisce liquido da destra a sinistra, mantenendo il dislivello
tra i recipienti.
Così nel tubo in basso il liquido continua a scorrere.
Per l’elettricità l’equivalente del livello del liquido è il potenziale elettrico.
Un oggetto carico ha un potenziale elettrico tanto maggiore quanto
più grande è il numero delle cariche elettriche in esso accumulate.
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La corrente elettrica
potenziale elettrico minore
potenziale elettrico maggiore
conduttore
corrente elettrica
Tra i due oggetti c’è una differenza di potenziale elettrico,
chiamata anche tensione elettrica.
Quando gli oggetti sono collegati da un conduttore,
gli elettroni del conduttore si spostano per annullare
la differenza di potenziale: si ha allora una corrente elettrica.
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I generatori di tensione
Per mantenere
il dislivello tra i recipienti,
e quindi il flusso del
liquido nel tubo in basso,
occorre una pompa.
pompa
flusso del liquido
pressione
maggiore
pressione
minore
potenziale
elettrico minore
potenziale
elettrico maggiore
conduttore
corrente elettrica
Per mantenere la
differenza di potenziale,
e quindi la corrente
elettrica nel conduttore,
occorrerà un
generatore di tensione.
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I generatori di tensione
Per mantenere una corrente elettrica occorre un generatore di tensione.
elettrodo positivo (anodo)
zinco
rame
la pila di Volta
Il primo generatore di tensione è
stato la pila costruita a Pavia da
Alessandro Volta a inizio Ottocento.
panno con
soluzione acida
elettrodo
negativo
(catodo)
Tra ogni coppia di dischetti si forma
una piccola differenza di potenziale.
I contributi di tutte le coppie si sommano,
così agli elettrodi della pila si ha una
tensione più consistente.
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I circuiti elettrici
Se si dispone di un generatore di tensione, si può creare un circuito elettrico.
generatore di tensione
nel circuito passa corrente
utilizzatori
circuito
chiuso
interruttore
la lampadina si accende
In un circuito la corrente di elettroni si muove
dall’elettrodo negativo verso quello positivo.
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Costruire un generatore di tensione «vegetale»
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La resistenza elettrica e l’effetto Joule
Ogni conduttore oppone una resistenza al passaggio della corrente elettrica
al proprio interno.
La resistenza elettrica è dovuta
all’attrito tra gli elettroni e gli
atomi del reticolo cristallino
del conduttore.
Come ogni forma di attrito,
anche la resistenza elettrica
libera calore e perciò
riscalda il conduttore.
Questo è l’effetto Joule
su cui si basa il funzionamento
delle lampadine a filamento.
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La prima legge di Ohm
prima legge di Ohm: i = V
R
collegando in serie due pile,
la tensione raddoppia e la
lampadina emette più luce
L’intensità della corrente i
in un conduttore
è direttamente proporzionale
alla tensione elettrica V
e inversamente proporzionale
alla resistenza R del conduttore.
Se si misura la corrente e si conosce la resistenza, allora la tensione è data da:
V=Rxi
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La seconda legge di Ohm
filo di rame
filo di rame
filo lungo di rame
filo spesso di rame
un filo conduttore più lungo,
a parità di sezione,
ha resistenza maggiore
seconda
L
legge di Ohm: R = r
s
un filo conduttore più spesso,
a parità di lunghezza,
ha resistenza minore
La resistenza R di un conduttore
è direttamente proporzionale alla sua lunghezza L
e inversamente proporzionale alla sua sezione s.
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La seconda legge di Ohm
seconda
L
legge di Ohm: R = r
s
Il coefficiente r è chiamato resistività;
dipende dal materiale di cui è fatto il conduttore.
filo di rame
filo di ferro
La resistività del rame è minore di quella del ferro.
Perciò il rame è un conduttore elettrico migliore rispetto al ferro.
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Le unità di misura delle grandezze elettriche
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L’elettrolisi
Se i due elettrodi sono immersi
in acqua distillata, cioè pura H2O,
il circuito rimane aperto:
non circola corrente.
catodo
anodo
Invece se nel recipiente si mette
acqua salata, il circuito si chiude
e passa corrente.
Come mai?
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L’elettrolisi
Nell’acqua il cloruro di sodio (NaCl)
si dissocia in ioni positivi (Na+)
e ioni negativi (Cl–).
catodo
anodo
Gli ioni Na+ sono attratti dal catodo,
che è l’elettrodo negativo.
Gli ioni Cl– sono attratti dall’anodo,
che è l’elettrodo positivo.
Si ha così l’elettrolisi:
nel circuito passa corrente elettrica .
Sul catodo si forma una patina di sodio,
mentre all’anodo si libera cloro gassoso.
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La corrente elettrica nei gas
che cosa provoca
i fulmini?
Durante i temporali le nubi si caricano di elettricità
e si crea una tensione elettrica tra nubi e terreno.
All’improvviso l’aria diventa conduttrice: le sue molecole si ionizzano
e un’intensa corrente elettrica attraversa l’aria, producendo il fulmine.
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Le forze magnetiche
La forza magnetica di una
calamita agisce anche
attraverso il vetro.
La calamita attrae soltanto gli
oggetti che contengono certi
metalli: ferro, nichel o cobalto.
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Le forze magnetiche
Ogni calamita ha due poli chiamati nord (N) e sud (S).
N
S
S
N
i poli dello stesso tipo si respingono
S
N
S
N
i poli di tipo opposto si attraggono
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Le forze magnetiche
I due poli di una calamita sono inseparabili.
N
N
N
S
S
S
N
N
S
N
S
S
N
S
Se si spezza un magnete si formano altri magneti,
ciascuno con due poli opposti.
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Le forze magnetiche
L’ago magnetico di una bussola si orienta sempre nella direzione nord-sud.
polo nord magnetico
polo sud geografico
polo nord geografico
polo sud magnetico
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Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo
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Le forze magnetiche
Se si avvicina un magnete
a una bussola, l’ago devia.
Il campo magnetico
della calamita predomina
su quello terrestre.
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Le forze magnetiche
Strofinate un grosso
ago di ferro su una
calamita, poi fissatelo
a un oggetto che
galleggia sull’acqua.
Avrete una bussola
fatta in casa: l’ago farà
ruotare il galleggiante
per orientarsi nella
direzione nord-sud.
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Visualizzare il campo magnetico
Mettete una calamita sotto
un foglio di cartoncino su cui
avete sparso un po’
di limatura di ferro.
I minuscoli pezzi di ferro
si orienteranno
visualizzando la struttura
del campo magnetico
della calamita.
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Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo
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L’elettromagnetismo
circuito aperto
a circuito aperto l’ago della bussola
è orientato nella direzione nord-sud
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Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo
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L’elettromagnetismo
circuito chiuso
a circuito chiuso l’ago della bussola
ruota e diventa perpendicolare
al filo in cui passa la corrente
Questa esperienza dimostra che la corrente elettrica genera un campo magnetico.
Le cariche elettriche in movimento generano sempre un campo magnetico.
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Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo
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Tre modi per magnetizzare oggetti metallici che contengono ferro
per strofinio
per induzione
per contatto
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Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo
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L’elettromagnetismo
Le due estremità di un solenoide
sono collegate a un amperometro.
Il magnete è fermo;
l’amperometro indica
che nel circuito
non passa corrente.
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Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo
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L’elettromagnetismo
Le due estremità di un solenoide
sono collegate a un amperometro.
Se si fa muovere
rapidamente
il magnete
dentro il solenoide,
l’amperometro mostra
che nel circuito
passa corrente.
Induzione elettromagnetica:
un magnete in movimento genera sempre un campo elettrico
e può indurre perciò una corrente elettrica in un circuito.
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Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo
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L’elettromagnetismo
magnete
che ruota
La dinamo della bicicletta funziona
grazie al fenomeno dell’induzione
elettromagnetica.
solenoide
corrente
ai fari
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Le onde elettromagnetiche
L’elettromagnetismo è fondamentale per le telecomunicazioni.
onde
elettromagnetiche
Facendo variare il flusso degli
elettroni, si produce un’oscillazione
simultanea del campo elettrico
e del campo magnetico.
Così l’antenna emette
onde elettromagnetiche
che possono trasportare
informazioni a distanza.
elettroni che
oscillano su e giù
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Lo spettro delle onde elettromagnetiche
lunghezza d’onda crescente
energia crescente
raggi gamma
luce
ultravioletto visibile infrarosso microonde
raggi X
esplosione radiografia
di supernova
lampada
UV
lampadina foto all’IR
cottura a
microonde
onde radio
telecomunicazioni
Tutte le onde elettromagnetiche dello spettro:
• sono prodotte dai campi elettrico e magnetico che oscillano insieme
• si propagano anche nel vuoto
• viaggiano alla velocità della luce
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