unità didattica - Il plasma - A.Cicchellero

CORSO DI PHYSICAL SCIENCE COMMUNICATION AND TEACHING METHODS
Professor STEFANO OSS
anno accademico 2011-2012
PROGETTO DI UNA UNITA’ DIDATTICA – ANDREA CICCHELLERO
TITOLO
Il plasma
SOTTOTITOLO
Manifestazioni e principali proprietà di questo “quarto stato della materia”.
LIVELLO D’ISTRUZIONE COINVOLTO
Si ritiene di proporre l’unità a una classe del 4°- 5° anno
TIPOLOGIA DI SCUOLA
Liceo scientifico tradizionale.
Il programma di Fisica è svolto nel triennio conclusivo (3°,4° e 5° anno).
Il programma di Chimica inorganica viene svolto nel 4° anno.
PREREQUISITI DISCIPLINARI
Le minime conoscenze fisiche di cui i ragazzi devono disporre per poter seguire quest’unità si
articolano su alcuni tematiche che tradizionalmente sono raccolte nei grandi blocchi della
Termodinamica e dell’Elettromagnetismo. Nello specifico devono essere in grado di gestire
autonomamente e con consapevolezza critica i concetti di pressione e densità di un gas, di
equilibrio termodinamico di gas e solidi, per il primo blocco. Nel caso dell’Elettromagnetismo le
competenze specifiche devono riguardare l’induzione elettrica tra corpi e il comportamento di
cariche in un campo elettrico, le relazioni tra corrente in un conduttore e tensione applicata (leggi
di Ohm).
Sono altresì importanti alcune minime e semplici conoscenze di Chimica inorganica, nello specifico
sulla struttura generale dell’atomo e delle molecole e sulle proprietà elettriche degli ioni.
Viene richiesta, infine, la capacità di comprensione di testi scritti e di spiegazioni in inglese
accademico, queste ultime presenti nelle tracce audio di alcuni brevi filmati reperiti su YouTube.
Nel caso di difficoltà di comprensione l’insegnante di Fisica e quello di Inglese, se presente, si
fanno carico di aiutare nella traduzione i ragazzi.
PERIODO DI SVOLGIMENTO
Si pensa di proporre l’unità nel periodo conclusivo del 4° anno o in quello iniziale del 5° anno. La
prima scelta vedrebbe i ragazzi più “freschi” nelle loro conoscenze acquisite di Fisica e Chimica ai
fini di una migliore comprensione del tema trattato. La seconda scelta potrebbe risultare
comunque felice, dal momento che un argomento di questo tipo permetterebbe di ripassare
alcuni temi affrontati nel 4° anno, ma lasciati inevitabilmente a “ristagnare” nel periodo estivo.
Questa scelta consentirebbe inoltre di proporre una cooperazione al docente del corso di Scienze
della Terra (corso di un solo anno, 5° anno) con lo scopo di incrociare alcune interessanti
tematiche del campo di studio dell’atmosfera e del Sole (in riferimento alla radiazione solare che
investe il campo magnetico terrestre e che genera il fenomeno dell’aurora boreale .)
DURATA DELL’UNITA’
Si prevede una durata dell’unità non superiore alle 2 settimane (3 ore di Fisica a settimana), per un
totale di 6 ore. E’ possibile dilatare i tempi di svolgimento, per gentile concessione dell’insegnante
di Inglese che mette a disposizione le sue ore e la sua personale collaborazione per seguire la
visione e l’analisi da parte della classe dei testi e dei video in Inglese proposti.
Una terza settimana viene tenuta di riserva nel caso i ragazzi vogliano approfondire l’argomento
nell’ora di discussione libera concessa o facendo domande per chiarimenti all’insegnante. Si
procede quindi alla stesura delle bozze di relazione secondo i modelli proposti all’inizio del
percorso di fisica al 3° anno, che l’insegnante segue in classe nel caso i ragazzi abbiano bisogno.
VERIFICA DELLE CONOSCENZE
Ai ragazzi viene sempre raccomandato di prendere appunti personali durante le lezioni di Fisica e
di riorganizzarli per il loro studio individuale. A conclusione di questa unità didattica viene loro
chiesto di stendere una breve relazione (in un Italiano corretto e articolato e non per sillabe!) di
non più di un paio di pagine, in cui possano riproporre un personale riassunto dei tratti generali
dell’intera unità didattica, sia per quanto riguarda gli aspetti esposti nella lezione frontale (della
quale sono considerate parti integranti la lettura dei testi, la visione dei video e delle animazioni
proposte ) sia per quelli più puramente pratici che hanno potuto apprezzare nelle esperienze
dimostrative di laboratorio. Devono assolutamente sentirsi liberi di dire se qualche parte
dell’unità didattica, a loro giudizio, non è stata chiara e possono proporre le loro impressioni o
suggerimenti.
Non è richiesto ovviamente uno studio di particolari tale da portare i ragazzi ad esasperarsi alla
ricerca in rete o con altri metodi di fonti di informazione molto dettagliate per cercare
(vanamente) di soddisfare l’insaziabile sete di minuzie dello spietato insegnante di Fisica. La
maggiore soddisfazione del docente risiede nel rilevare dalle relazioni un buon livello di
comprensione generale delle lezioni che propone e un certo grado di entusiasmo da parte dei
ragazzi, nel caso si dimostrino particolarmente curiosi e attratti da possibilità di approfondimento
dei temi proposti.
La relazione (composta da ogni ragazzo individualmente) non diviene perciò soltanto uno
strumento di valutazione dei ragazzi messi alle prese con un modo di fare fisica anche interattivo,
ma è soprattutto una risposta dei ragazzi agli stimoli del docente con una partecipazione attiva al
continuo miglioramento e aggiornamento delle lezioni.
Lo scambio di idee e di opinioni in una squadra di lavoro è molto importante e se i ragazzi
preferiscono possono presentare relazioni collettive, di proporzioni commisurate al numero di
partecipanti e convenientemente approfondite. Deve essere dimostrato il lavoro di ciascuno.
COLLOCAZIONE DELL’UNITA’
L’unità proposta si colloca in seguito alla grande unità di Elettromagnetismo, nel quale si sono
affrontati temi che vanno dalle basi dell’elettrostatica e della magnetostatica per arrivare a
discutere di fenomeni elettrodinamici, delle onde e delle equazioni di Maxwell. Si è anche
provveduto, insieme ai ragazzi, a implementare praticamente in laboratorio alcuni basilari e
semplici circuiti elettrici, ma di rilevante importanza tecnologica per la vita di tutti i giorni e per la
comprensione di alcuni aspetti della successiva unità. Sono state fornite anche basi delle
convenzionali norme di sicurezza in presenza di dispositivi elettromagnetici in tensione e sulle
conseguenze, anche fatali, che comportamenti non corretti potrebbero portare. L’intento è stato
anche quello di preparare adeguatamente i ragazzi a comprendere che nella successiva unità
dedicata ai plasmi alcune azioni dimostrative vanno intraprese solo se alla dotazione di
conoscenze teoriche si affianca buonsenso e un buon grado di sicurezza.
L’unità che seguirà si occuperà di fisica moderna, nello specifico verranno presentate alcune
evidenze sperimentali della crisi della Fisica classica per procedere ad una introduzione della
fenomenologia quantistica e delle sue importanti e sconvolgenti implicazioni sui temi affrontati
fino all’ultima unità. Gli effetti di emissione di luce nei plasmi esposti e presentati ai ragazzi nella
corrente unità saranno così correttamente caratterizzati e spiegati, in termini di semplici modelli
che giustifichino l’emissione per diseccitazione di atomi e molecole precedentemente eccitate.
MOTIVAZIONI GENERALI
Parlare di plasmi significa addentrarsi nello studio di alcuni fenomeni tra i più interessati e
affascinanti del mondo naturale. Tutti si saranno domandati almeno una volta come vengono
generati i fulmini, quali meccanismi portentosi possano essere coinvolti in questi fenomeni che un
tempo hanno terrorizzato l’uomo primitivo (anche se gli hanno probabilmente regalato il fuoco) e
che oggi ancora preoccupano l’uomo evoluto nella scienza e nella tecnologia. E chi non ha mai
visto lo spettacolo di paesaggi nordici sotto un cielo invaso da linee e veli di luce dai molti colori,
luci che chiamiamo aurora boreale? E per essere più profani va detto che larga parte
dell’illuminazione artificiale generata dall’uomo oggigiorno basa il suo funzionamento sui plasmi. E
volendo addentrarsi ancora di più nella tecnologia, molti dei moderni macchinari che creano i
“solchi” e le innumerevoli stratificazioni dei dispositivi a semiconduttore implementati nei
microchips, presenti ovunque nei nostri elettrodomestici e non solo, sono reattori al plasma.
Il plasma, quindi, permea le nostre vite e vale la pena conoscerlo un po’ di più.
FINALITA’ DISCIPLINARI
Questo argomento consente ai ragazzi di acquisire conoscenze e competenze che abbracciano
diversi grandi argomenti della Fisica. Temi affrontati nella sezione di Termodinamica e nella
sezione di Elettromagnetismo si ritrovano incrociati e si compenetrano. I ragazzi hanno così modo
di comprendere che fare Fisica non significa studiare sequenzialmente grandi temi che poco o
niente hanno a che fare l’uno con l’altro o con il mondo reale, ma che, al contrario, è possibile
trovare moltissime connessioni tra ciascun argomento. Possono rendersi anche conto delle
possibilità di indagine e comprensione del mondo che li circonda offerte dallo studio di una unità
di questo tipo.
FINALITA’ METODOLOGICHE
I ragazzi, partendo da una (probabile) bassa o nulla conoscenza di cosa sia un plasma, ne vengono
guidati alla graduale scoperta attraverso un percorso costituito dalla presentazione di evidenze
sperimentali nelle esperienze proposte e di dimostrazioni pratiche eseguite dal docente che
provvede a completare ogni passaggio con le dovute spiegazioni, finali alla comprensione delle
proprietà generali del plasma.
I ragazzi hanno occasione di vedere per la prima volta o di ritrovare alcuni oggetti interessanti,
come il generatore di Van de Graaff, la sfera al plasma, un tubo a vuoto sotto alta tensione
attraversato da scariche e una lampada fluorescente di comune utilizzo domestico. Possono così
osservare come oggetti che ad una prima occhiata sembrerebbero giochi bizzarri semplicemente
relegabili a dimostrazioni scientifiche di laboratorio, siano in realtà dei “fratelli maggiori” di altri
comunissimi oggetti di uso quotidiano, comprendendo che la Fisica pervade ogni cosa che ci
circonda e che utilizziamo.
Con la partecipazione dell’insegnante di Inglese, saranno proposti, dal canale YouTube, dei filmati
in lingua Inglese di alcune interessanti esperienze dimostrative ed esplicativi dei fenomeni naturali
connessi (sui fulmini e l’aurora boreale). Lo scopo è mostrare alcune delle possibilità di
informazione che internet può offrire per le ricerche di studio e l’arricchimento culturale. I ragazzi,
inoltre, hanno modo di leggere e analizzare in lingua originale alcuni testi reperiti in rete che
trattano dei primi resoconti dell’esperimento del 1752 di Benjamin Franklin sui fulmini, punto
culminante delle sue ricerche sull’elettricità. Lo scopo di queste letture è mostrare ai ragazzi un
esempio storico di esperimento scientifico e di iniziarli a letture scientifiche in una lingua
differente dall’Italiano, dal momento che larga parte della produzione tecnico-scientifica viene
proposta in Inglese.
Sarebbe molto importante riuscire ad organizzare, in accordo con la dirigenza d’istituto, una visita
d’istruzione ad un museo della Scienza e della Tecnica per poter permettere ai ragazzi di vedere e
interagire con le migliori esperienze dimostrative per la didattica offerte nel campo della Fisica.
Completerebbero non solo l’acquisizione di competenze per questa unità didattica, ma anche per
le precedenti.
CONNESSIONI CON ALTRE DISCIPLINE
Sono rilevabili delle connessioni con gli argomenti affrontati nel corso di Chimica inorganica,
trattando in sostanza il comportamento di gas ionizzati sottoposti all’azione di un campo elettrico.
Altre connessioni riguardano il corso di Scienze della Terra dell’ultimo anno, in cui si studiano le
attività solari e le influenze che hanno sulla Terra.
La reperibilità di testi e filmati in Inglese offre ai ragazzi la possibilità di acquisire semplici
competenze linguistiche, in termini di comprensione scritta e orale, anche di argomenti di natura
tecnico-scientifica e non solo puramente umanistica.
MATERIALE UTILIZZATO
SIMULAZIONI
• CARICHE IN UN CAMPO ELETTRICO:
http://canu.ucalgary.ca/map/content/force/elcrmagn/simulate/electric_single_particle/ap
plet.html
• SIMULAZIONE JAVA SUL CONDENSATORE (nella cartella)
• SIMULAZIONE JAVA DI UNA LAMPADA A SCARICA IN GAS (nella cartella)
• LIVELLI DI ENERGIA E RADIAZIONE http://www.mi.infn.it/~phys2000/
http://educypedia.karadimov.info/library/characteristic_radiation.swf
• IL FULMINE: http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/lightning/index.html
http://regentsprep.org/regents/physics/phys03/alightnin/
FILMATI
• PLASMA:THE 4th STATE OF MATTER:
http://www.youtube.com/watch?v=VkeSI_B5Ljc
• VACUUM TUBE UNDER HIGH VOLTAGE (GAS DISCHARGE)
http://www.youtube.com/watch?v=Roc4RajQDhY
• SCIENCE EXPLAINS LIGHTNING:
http://www.youtube.com/watch?v=ipAemhMEKwE&feature=related
• LIGHTNING IN SUPER SLOW MOTION:
http://www.youtube.com/watch?v=RLWIBrweSU8&feature=related
• AURORA BOREALE:
http://www.youtube.com/watch?v=TML7SicFWC8
• PLASMA TV HOW IT WORKS (COME E’ FATTO, DISCOVERY CHANNEL):
http://www.youtube.com/watch?v=YlS24yOZZSk
• PHYSICS LAB DEMO 3: VAN DE GRAAFF EXPERIMENT
http://www.youtube.com/watch?v=AhLbYaIoxsE
Van de Graaff works, VDG_works (video scaricato, nella cartella)
STRUMENTI DIDATTICI
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SFERA AL PLASMA
LAMPADA A SCARICA IN GAS (riproposizione del “vacuum tube under high voltage”)
COMUNE LAMPADA A FLUORESCENZA
GENERATORE DI VAN DE GRAAFF
TUBO DI DE LA RIVE (solo da vedere, non attivabile perché pezzo storico da collezione)
TESTI
• TESTO RIGUARDANTE L’ESPERIMENTO DI BENJAMIN FRANKLIN SUI FULMINI
http://www.benjaminfranklinhouse.org/site/sections/about_franklin/PhysicsTodayVol59n
o1p42_48.pdf
• VARIE VOCI DI WIKIPEDIA CONSIGLIATE
PRESENTAZIONE POWER POINT
• Si ricorre all’utilizzo di Power Point solo per presentare ai ragazzi immagini singole o
sequenze di immagini di difficile replica e rappresentazione alla lavagna, per evitare di
perdere tempo prezioso nel caso i disegni risultino non particolarmente ben eseguiti e
quindi poco chiari. Il file viene messo a disposizione della classe per le personali
consultazioni.
METODOLOGIA UTILIZZATA
Le 6 ore previste per lo svolgimento dell’unità didattica sono così ripartite settimanalmente: 2 ore
unite + 1 ora singola. La prima settimana vedrà la lezione di 2 ore unite svolta in classe e l’ultima
ora in laboratorio, mentre la seconda settimana vedrà le 2 ore unite di lezione in laboratorio e
l’ultima ora singola in classe.
1° lezione: 2 ORE, IN CLASSE
Nelle prime ore di lezione i ragazzi sono avviati alla discussione di cosa sia un plasma. Viene loro
richiesto, innanzitutto, di mettere per iscritto le prime idee o ricordi che vengono in mente
riguardanti il tema proposto, sforzandosi di attuare un processo di brain storming. L’insegnante
provvede a mediare la discussione e a scrivere le idee espresse alla lavagna. Ci si aspetta che i
principali concetti esposti riguardino il binomio “TV al plasma” o “plasma sanguigno”. I ragazzi
vanno così guidati con piccoli suggerimenti del docente ad avvicinarsi, nel caso nessuno abbia
espresso il termine, al concetto di “gas” o “gas ionizzato”. Si prova a vedere se nei ragazzi, per
associazione di idee, il ragionamento può portare ai concetti di “fulmini” o di “aurora boreale”,
lasciando così trasparire da qualche ragazzo delle tracce di una corretta connessione dei fenomeni
che saranno spiegati in seguito. Questo esercizio permette anche ai ragazzi di prendere confidenza
con le pratiche di discussione libera e di scambio di idee, fondamentali per l’armonia e il
rendimento di un gruppo di lavoro e consente all’insegnante di sondare e verificare le conoscenze
iniziali dei ragazzi.
La mediazione dell’insegnante deve portare alla conclusione di questo scambio di idee nella forma
di una prima anticipazione di quanto si sta per vedere: i fulmini, l’aurora boreale, il plasma e la TV
al plasma sono manifestazioni dello stesso tipo di Fisica. Sono fenomeni strettamente collegati da
dinamiche molto simili tra loro che verranno gradualmente indagate e scoperte insieme ai ragazzi.
Viene proposta l’esperienza dimostrativa di una sfera al plasma. Questo oggetto è ospite
frequente di bancarelle di chincaglierie in fiere o sagre di paese o di negozi nelle nostre città ed è
sperabile che più di qualche ragazzo abbia avuto modo di vederlo o che addirittura ne possegga un
esemplare. Stuzzicando chi per primo affermi di averne visto uno in precedenza, gli si chiederà se
vuole provare a descriverne il funzionamento e i principi ai propri compagni.
I ragazzi sono invitati ad avvicinarsi alla sfera e a provare a toccarne la superficie esterna per
rilevare gli strani e sempre diversi effetti dinamici che i rami di luce al suo interno hanno al
contatto delle dita di ciascun ragazzo.
Si procede a spiegare ai ragazzi che il gas rarefatto all’interno della sfera sottoposto ad una
differenza di potenziale tra il bulbo centrale e il vetro non è altro che un plasma. Ricorrendo ad un
applet (simulazione Java sul condensatore), che evoca il funzionamento di un condensatore
alimentato contenente un dielettrico, viene spiegato il concetto di polarizzazione di un mezzo
neutro (o debolmente ionizzato). L’analogia viene estesa al gas più o meno ionizzato posto tra i
due elettrodi generatori di un plasma.
Viene poi proposto un applet Java di una lampada a scarica. Questa simulazione modellizza
sostanzialmente i principi di funzionamento di un plasma, in questo caso un plasma utilizzato per
l’illuminazione artificiale. Sono possibili variazioni dei parametri in gioco, come la densità di
molecole del gas, il numero di elettroni catodici emessi e la tensione applicata, consentendo la
rilevazione dei principali fenomeni che avvengono in un plasma, come la cascata ionizzante e le
conseguenti reazioni di dissociazione, ionizzazione, di eccitazione e diseccitazione radiativa.
Viene fatto presente che un plasma non è semplicemente un gas ionizzato, perché se
generalmente in un gas le particelle interagiscono in urti a corto raggio, in un plasma le interazioni
dominanti sono a lungo raggio. Sono interazioni di natura Coulombiana, dovute ad effetti di
schermatura di carica che le particelle manifestano nel plasma, nella forma di gusci costituiti da
cariche di segno opposto, dando così luogo a fenomeni dinamici di tipo collettivo. Le conseguenze
sono rilevabili come oscillazioni collettive del gas in risposta a perturbazioni esterne di vario
genere, ad una tipica frequenza detta frequenza di plasma.
Con il filmato del canale YouTube, Plasma: the 4th state of matter, registrato da ricercatori di un
laboratorio universitario, viene offerto un brevissimo compendio sulle principali caratteristiche di
un plasma e su un’applicazione industriale molto interessante, il plasma etching, ovvero l’incisione
di precisione di superfici per impieghi nel settore della micro e nano-elettronica industriale. I
ragazzi possono anche vedere le immagini di un reattore a plasma per la ricerca.
Il successivo e ultimo filmato di questa lezione vuole essere un’anticipazione del lavoro che verrà
svolto nella seguente prima lezione di laboratorio. Si tratta del video vacuum tube under high
voltage (gas discharge). I ragazzi assistono a circa 30 secondi di proiezione in cui viene fatto
operare un tubo che contiene un gas a bassa pressione sottoposto ad una differenza di tensione
tale da far scoccare una scarica. Si tratta di un plasma in regione di scarica a bagliore e nelle
immagini i ragazzi sono invitati ad osservare l’alternanza di zone estremamente luminose e zone
oscure. La spiegazione del perché di un tale effetto è rimandata alla successiva lezione, nella quale
i ragazzi osserveranno in laboratorio la riproposizione di una dimostrazione di scarica in gas.
2a lezione: 1 ORA, IN LABORATORIO
Viene spiegato ai ragazzi che un plasma sotto tensione ha un comportamento variabile al variare
della tensione applicata ed è possibile tracciare un curva caratteristica V-I (tensione-corrente),
rappresentativa delle mutevoli condizioni di plasma che è possibile ottenere. La curva è presentata
mediante Power Point ed è lasciata a video per tutta la durata della lezione, per poter sempre
discutere delle sue proprietà.
La curva caratteristica è divisibile in tre grandi zone, dette regioni del plasma. La prima zona è
definita regione di scarica oscura, poiché per gli intervalli di tensione e corrente che la
caratterizzano non vi è emissione luminosa da parte del plasma. Il numero di collisioni ionizzanti
che avvengono ha crescita esponenziale, ravvisabile nell’andamento della corrente, trasportata
dagli elettroni generati a valanga.
Arrivati al punto di break down, crolla il valore di resistenza offerto dal gas al passaggio della
corrente e conseguentemente, a corrente praticamente costante, crolla anche il valore di tensione
applicata. Si entra così nella regione di scarica a bagliore, nella quale il plasma è luminoso. È una
regione di importante utilità tecnico-industriale. Plasma in queste condizioni viene utilizzato, ad
esempio, per il già citato etching,ed è la forma in cui si presenta l’aurora boreale.
La tensione e la corrente aumentano fino a quando il catodo non si scalda tanto da raggiungere il
punto di emissione termoionica. Il numero di elettroni emessi è molto alto, la tensione crolla
ancora perché si abbatte la resistenza del gas e scatta la scarica ad arco, che dà il nome a questa
regione del plasma: regione di scarica ad arco. Anche questa regione del plasma ha importanza ai
fini pratici, poiché le scariche ad arco sono comunemente utilizzate nelle saldatrici ad arco. L’arco,
inoltre, non è altro se non un fulmine in miniatura, che anziché scattare tra nubi e suolo
percorrendo centinaia o migliaia di metri, scatta per pochi centimetri tra due elettrodi.
Viene proposta ai ragazzi la dimostrazione del funzionamento del tubo a scarica, operante nella
regione di scarica a bagliore. I ragazzi sono invitati ad osservare l’alternanza di regioni chiare e
scure. Si procede a spiegare cosa siano le sheath (trad. “guaine”), zone ad eccesso di carica di
segno opposto a quella presente sugli elettrodi, tendenzialmente a potenziale più negativo
rispetto al plasma circostante. Queste sheath operano come “scivoli di accelerazione” per gli
elettroni, che accumulano energia sufficiente per ionizzare ed eccitare le specie atomiche o
molecolari del gas. Le specie eccitate, emettono in seguito luce diseccitandosi, ma in regioni vicine
a quelle delle sheath che restano al contrario oscure. Generalmente gli elettroni tendono a
riacquistare energia per l’azione attrattiva e dominante del potenziale positivo dell’anodo, fino a
quando non vanno a collidere con le specie presenti nel gas. Tutte le zone in cui avvengono queste
collisioni e i conseguenti processi di eccitazione e diseccitazione radiativa sono zone luminose
alternate a zone oscure. I ragazzi possono così comprendere la ragione della presenza delle
striature nel bagliore della scarica ancora accesa al banco delle dimostrazioni.
Viene messa in funzione una comune lampada a fluorescenza, oggetto domestico che i ragazzi
conoscono molto bene. Vengono quindi spiegate le differenze e le analogie con il tubo a plasma
precedentemente attivato. La sostanziale differenza risiede nel fatto che la radiazione emessa dal
plasma all’interno della lampada è ultravioletta e ciò dipende dal gas prescelto. I fotoni
ultravioletti eccitano il materiale fluorescente depositato sulla superficie interna del tubo di vetro,
che per diseccitarsi emette radiazione visibile.
In seguito, aumentando la tensione del tubo a scarica ancora azionato, si porta per qualche
secondo la scarica a bagliore a trasformarsi in arco e la classe ha così modo di osservare lo stretto
legame di parentela di questo arco con i fulmini naturali, avendo così un piccolo anticipo della
discussione della lezione successiva.
3a lezione: 2 ORE, IN LABORATORIO
Si prosegue la discussione sui fulmini, alla ricerca di una comprensione delle dinamiche di questo
fenomeno naturale.
Vengono proposti due filmati: science explains lightning e lightning in super slow motion. Si
procede all’analisi dei filmati, anche grazie al ricorso a due applet esplicativi della fenomenologia
dei fulmini, che presentano schematicamente le dinamiche del graduale caricamento
elettrostatico delle nubi e del suolo che precede la scarica.
A seguire viene proposta l’esperienza dimostrativa del generatore di Van de Graaff, abbinata ad un
breve video in cui viene presentato schematicamente il principio di funzionamento interno del
generatore. I ragazzi hanno così modo di osservare una vera e propria generazione di fulmini in
laboratorio, al fine di comprendere definitivamente che un plasma, per alti valori di tensione, può
essere attivato anche a pressione atmosferica e non solo sotto certe particolari condizioni “di
laboratorio”.
Vale la pena proseguire la discussione che ha come filo conduttore il “plasma in natura”, parlando
dell’aurora boreale. Viene proposto e analizzato un filmato trovato su YouTube, aurora boreale. Il
concetto fondamentale che deve trasmettere ai ragazzi è che particelle cariche energetiche
emesse dal sole, ioni ed elettroni, vengono inviate nello spazio. Una volta raggiunti gli alti strati
dell’atmosfera terrestre presso le zone polari, per l’azione del campo magnetico terrestre, queste
particelle cariche procedono ad ionizzare le molecole di aria dell’atmosfera generando vere e
proprie scariche a bagliore, simili a quelle osservate nel plasma di laboratorio.
Ai ragazzi è proposta quindi la visione di un pezzo di storia della strumentazione didattica della
Fisica: un tubo di De la Rive dei primi anni del XX secolo, una lampada al plasma in cui le scariche
sono mosse dall’azione di un campo magnetico variabile, costruita per simulare il comportamento
dell’aurora boreale. Il dispositivo, consegnato da tempo alla collezione storica del liceo è ancora
funzionante ma non attivabile per l’indiscusso valore storico che ha per la scuola.
Si procede ad affrontare più in dettaglio la discussione di un problema che probabilmente molti
ragazzi si saranno posti, ovvero del perché un plasma emetta luce. I meccanismi coinvolti, nelle
fasi della cascata ionizzante nel gas, sono quelli dell’eccitazione e della diseccitazione radiativa di
un atomo o di una molecola. Vengono pertanto proposte due simulazioni Java (livelli di energia e
radiazione), grazie alle quali è possibile comprendere a grandi linee questi effetti di natura
puramente quantistica, che la Fisica classica non ha potuto spiegare. È questo un primo accenno
alla successiva unità sulla Fisica moderna e la crisi della Fisica classica che verrà affrontata in
seguito.
4a lezione: 1 ORA, IN CLASSE
L’ultima ora di lezione vede la proposta di alcuni accenni al potenziale di plasma, rappresentato
graficamente e presentato mediante Power Point. I ragazzi, guidati nella sua analisi, possono
comprendere il significato della presenza delle sheath in un plasma e le possibilità tecniche che
questo effetto consente. Infatti, le particelle di gas ionizzate positivamente per collisione degli
elettroni sono fortemente attratte dal potenziale negativo del catodo. Questi ioni positivi sono
notevolmente accelerati verso la superficie dell’elettrodo e quando lo raggiungono, lo colpiscono
con forza, come se lo bombardassero. Si assiste perciò ad un bombardamento ionico, che non ha
solo l’effetto di immettere nel plasma nuovi elettroni strappati dal catodo che, repulsi dal netto
potenziale negativo dello stesso catodo, contribuiscono alla continua cascata collisionale
ionizzante che sostiene il plasma, ma anche all’emissione di atomi e molecole che compongono il
catodo, compiendo così un’azione erosiva. Quest’azione di vero e proprio “scavo” operata dal
plasma viene sfruttata in tutte quelle applicazioni industriali del settore dei semiconduttori in cui è
necessario ottenere strutture stratificate e incisioni molto precise. Si tratta del già citato plasma
etching.
Vengono, dunque, proposte ai ragazzi alcune immagini, facilmente reperibili in internet, di
strutture MEMS e NEMS, micro- e nano-attuatori elettromeccanici. Questi dispositivi
rappresentano il futuro delle nanotecnologie e si vuole, in questo modo, offrire una brevissima
panoramica di queste possibilità scientifiche.
Il lavoro dell’unità didattica viene concluso con una discussione e la proposta delle impressioni dei
ragazzi sulla lettura effettuata, insieme all’insegnante di Inglese, del testo messo a disposizione
dalla Franklinhouse Organization. In questo testo sono riportati frammenti e analisi delle lettere di
Benjamin Franklin riguardanti i suoi esperimenti sui fulmini e lo sviluppo del parafulmine. Sono
riportate anche buone spiegazioni tecniche e scientifiche dei risultati sperimentali ottenuti. È
un’interessante panoramica su uno dei primi contatti dell’umanità con la sperimentazione fisica
moderna e un resoconto delle attività di un pioniere della Fisica come Benjamin Franklin, un
personaggio ammirevole anche per il suo impegno storico nell’affermazione democratica e per il
contributo ai principi dell’Illuminismo. Questi ultimi aspetti sono anche rilevanti ai fini
dell’acquisizione di conoscenze e competenze storiche della classe.
ORGANIZZAZIONE DEL GRUPPO CLASSE
Per la particolare natura delle esperienze dimostrative proposte e per l’intrinseca pericolosità
dello attuazione di alcune di esse, a causa del ricorso ad alte tensioni di alimentazione dei
dispositivi utilizzati, le operazioni di messa in funzione sono svolte dal solo insegnante. Pertanto,
per questa unità, non vengono costituiti gruppi di lavoro e la classe può assistere alle
dimostrazioni. È tuttavia premura dell’insegnante far sì che, ogni qualvolta sia possibile, i ragazzi, a
turno, possano avvicinarsi al bancone di lavoro e osservare da vicino gli oggetti in funzione e
chiedere chiarimenti o soddisfare loro curiosità in merito alle prove proposte.
MATERIALE DI DOCUMENTAZIONE
È consigliata la lettura di alcune voci dell’enciclopedia in rete Wikipedia. Alcune di queste voci
sono Benjamin Franklin, fulmine, aurora boreale, plasma, scariche nei gas, lampada al neon etc. Se
interessati i ragazzi possono trovare spunti di approfondimento e possibilità di soddisfare le
proprie curiosità sui temi trattati, completando così la loro preparazione. La struttura di Wikipedia
permette inoltre di spaziare su molteplici diramazioni e di trovare ampie informazioni sulle
tematiche connesse al lavoro svolto a scuola. Qualora alcune voci risultino poco approfondite o
addirittura di difficile comprensione, per il ricorso a strumenti matematici di cui i ragazzi ancora
non dispongono, sono più che giustificati a sospendere le loro personali ricerche o, se lo
desiderino, a rivolgersi all’insegnante per dei chiarimenti.
I filmati e i testi proposti completano le fonti a disposizione dei ragazzi, in cui possono trovare
delle spiegazioni e delle possibilità di ripasso “on demand” in ogni momento.
Le esperienze dimostrative svolte in classe e in laboratorio sono inoltre filmate e rese disponibili ai
ragazzi perché possano rivedere e richiamare alla memoria concetti e temi trattati ogni qualvolta
lo desiderino. Questa scelta consente inoltre di disporre di uno strumento importante per mettere
al corrente e aggiornare eventuali e imprevisti assenti su quanto fatto a lezione.
FONTI E RIFERIMENTI
• A.Cicchellero, Plasma Etching (seminario di approfondimento, corso magistrale in Fisica,
uniTn, 2011)
• A.Macchi, Appunti su scariche di plasma per applicazioni tecnologiche (presentazione
seminario Università di Pisa) ;
http://www.df.unipi.it/~macchi/PLASMI/seminario_plasmi.pdf
• Shalom Eliezer & Yaffa Eliezer, The Fourth State of Matter: An Introduction to Plasma
Science (Institute of Physics Publishing, Bristol and Philadelphia, IOP Publishing, 2001);
• M.A.Liebermann, A short course on the principles of plasma discharges and materials
processing (dispense del corso, King Saud University, Riyadh, Arabia Saudita) ;
http://faculty.ksu.edu.sa/Kayed/eBooksLectureNotes/Principles_of_Plasma_Discharges_By
_Michael_A_Lieberman.pdf
• J.J.Wang, Advanced plasma-etching processes for dielectric materials in VLSI technology
(tesi di dottorato pubblica University of Florida, 2002);
• J.Vossen & W.Kern, Thin film processes (New York : Academic Press, 1978.);
• Varie voci di Wikipedia per gli argomenti: fulmini, aurora boreale e lampade a fluorescenza,
TV al plasma;
• Vari filmati del canale YouTube.