Gli effetti della corrente elettrica

1. Presentazione del problema
Al fine di sollecitare gli alunni a progettare, realizzare e verificare esperienze operative inerenti
all’Energia elettrica, l’insegnante di Ed. Tecnica propone alla classe, divisa in gruppi, il seguente
Problema tecnico-scientifico
Ciascun gruppo esegua il progetto di un
circuito elettrico per sperimentare gli effetti
della corrente elettrica.
2.Ipotesi di soluzione
I ragazzi avanzano le Ipotesi di soluzione al problema presentato e rilevano la necessità di
acquisire conoscenze specifiche in merito a:
o Simbologia elettrica
o Tipologia dei circuiti elettrici
o Gli effetti della corrente elettrica
L’insegnante propone una guida per orientare i ragazzi, i quali consultano testi, osservano i
dispositivi, le macchine, gli elettrodomestici che utilizzano l’energia elettrica e riflettono sulle
diverse forme di conversione dell’elettricità.
GUIDA ALLA COMPRENSIONE DELLA ELETTRICITA’
- Che cos’è l’ Elettrologia?
Elettrostatica?
Elettrodinamica?
- Spiega il fenomeno di REPULSIONE e ATTRAZIONE tra due corpi.
- Dai la definizione di MOLECOLA e ATOMO.
- Quanti atomi hanno individuato gli scienziati?
- Disegna la struttura di un atomo.
- Che cos’è la corrente elettrica?
- Chi è il responsabile della corrente elettrica?
- Un filo di rame lungo 1 m e con un diametro di 0,3 mm, quanti elettroni liberi possiede?
- Che cosa succede in un circuito elettrico costituito da: generatore di corrente (pila),
utilizzatore (lampadina), filo di rame o conduttore?
- Che cosa dunque si genera in un circuito elettrico?
- Che cosa sono i conduttori? Quali sono?
- Che cosa sono gli isolanti? Quali sono?
- La corrente elettrica è un trasferimento di materia o di cariche elettriche?
GUIDA ALLA COMPRENSIONE DEL CIRCUITO ELETTRICO
- Che cos’è un circuito elettrico?
- Quali sono i componenti?
- Il circuito elettrico si può paragonare per analogia a…
- Che cosa avviene in un circuito idraulico?
- Che cosa avviene in un circuito elettrico?
- Quali sono le tre grandezze della corrente elettrica?
- Da quale legge sono legate le tre grandezze?
- Scrivi la relazione che lega le tre grandezze secondo la legge di Ohm. Che cosa vuol dire?
3.Progetto
Segue:
• il protocollo dei ragazzi con lo schema degli effetti della corrente elettrica,
• l’analisi di un circuito elettrico elementare e i simboli CEI di ciascun componente,
• i progetti degli impianti eseguiti dai ragazzi in équipe.
SCHEMA EFFETTI CORRENTE ELETTRICA
EFFETTI DELLA
CORRENTE ELETTRICA
LUMINOSO
MAGNETICO
lampada
Apparecchi elettrici
d’uso comune
CHIMICO
galvanostegia
galvanoplastica
TERMICO
Ferro
da stiro
phon
FISIOLOGICO
Stufa
elettrica
elettrocardio
gramma
Scossa elettrica
CONCLUSIONE DEGLI ALUNNI
La corrente elettrica circola attraverso i conduttori e produce fenomeni ed effetti diversi,
fondamentali per le numerose applicazioni.
La corrente elettrica alimenta molti apparecchi d’uso domestico.
Essi sono dotati di almeno uno dei seguenti dispositivi:un elettromagnete che produce forza
magnetica, un motore che produce forza motrice, una resistenza che produce energia termica, una
lampadina che produce energia luminosa.
PRINCIPALI ELEMENTI DI UN CIRCUITO E LORO SIMBOLI
TIPOLOGIE DI CIRCUITI ELETTRICI
TIPOLOGIA
DENOMINAZIONE
Circuito elettrico elementare
Circuito elettrico in parallelo
di utilizzatori
Circuito elettrico in serie
di utilizzatori
TIPOLOGIA
DENOMINAZIONE
Disegno di generatori in parallelo eseguito da
un alunno
Schema di generatori in parallelo secondo la
simbologia CEI
Disegno di generatori in serie eseguito da un
alunno
Schema di generatori in serie secondo la
simbologia CEI
4. Esecuzione dei modelli analogici
Per la realizzazione degli impiantini elettrici viene fornito a ciascun gruppo:
- materiale strutturato, da comporre secondo le istruzioni indicate
- tavoletta in legno di piccole dimensioni, con i componenti necessari alla esecuzione del
modello scelto
CIRCUITO ELETTRICO ELEMENTARE CON INTERRUTTORE
( 1^soluzione con materiale strutturato )
Materiale occorrente:
Basetta per componenti a spina
Spine a ponte 2x
Portalampada
Lampada
Batterie 1.5V 2x
Interruttore
- Esecuzione dell’esperimento:
1. Mettere le batterie nella loro sede sotto la basetta.
2. Montare i componenti a spina nella basetta e lasciare aperti i contatti dell’interruttore.
3. Chiudere e aprire l’interruttore ed osservare la lampada.
- Risultato dell’esperimento:
La corrente circola solo quando l’interruttore è chiuso. L’interruttore serve a chiudere e ad aprire un
circuito in base alle condizioni di funzionamento richieste.
CIRCUITO ELETTRICO ELEMENTARE CON INTERRUTTORE
( 2^soluzione con materiali reperiti dai ragazzi)
Materiale:
- Tavoletta in legno di piccole dimensioni
- Batteria da 4,5Volt
- Lampada mignon 4,5Volt, con portalampada
- Filo conduttore, lunghezza 30 cm.circa
- Un interruttore mignon
- Due morsetti a coccodrillo
- Vinavil
- Puntine da disegno con capocchia in plastica
Strumenti:
- Forbici, cacciavite…
Procedimento operativo:
1. Tagliare il filo conduttore in tre parti e spellare ciascuna estremità di 3 cm. circa
2. Incollare la batteria da 4,5 Volt sulla tavoletta.
3. Inserire l’estremità del primo filo conduttore nel morsetto a coccodrillo.
4. Allentare le due viti dell’interruttore ed inserire, in un foro, l’altra estremità spellata
del primo filo conduttore e, nell’altro foro, l’estremità del secondo filo conduttore.
5. Collegare l’altra estremità del filo al basamento del portalampada, infine con il terzo
filo conduttore, collegare il portalampada all’altro morsetto.
6. Fissare il filo conduttore sulla tavoletta con puntine da disegno, o chiodini ad U.
7. Montare la lampada sul portalampada.
8. Collegare un morsetto al polo positivo e un altro al polo negativo della batteria.
9. Premere il pulsante dell’interruttore e osservare che cosa succede; schiacciare ancora
e trarre le conclusioni: che cosa abbiamo scoperto?
- Risultato dell’esperimento:
L’interruttore apre e chiude il circuito elettrico.
Gli alunni costruiscono un terzo modello utilizzando una pila da 1,5 V e una lampada da 1,5 V
- Gioco di simulazione:
Abbiamo simulato il circuito elettrico tenendoci per mano in un grande cerchio. Ogni ragazzo
rappresentava un componente del circuito elettrico e stringeva forte le mani ai suoi due compagni:
questo era il circuito chiuso. Poi un ragazzino ha lasciato la stretta e il cerchio si è interrotto: questo
era il circuito aperto. Nel circuito chiuso passa la corrente che illumina la lampada, nel circuito
aperto il passaggio della corrente è interrotto e la lampada rimane spenta.
- Scoperte:
Nella batteria si crea una differenza di potenziale tra i due poli che spinge il flusso di elettroni al
polo positivo, producendo elettricità.
COLLEGAMENTO IN PARALLELO DI UTILIZZATORI
( Soluzione con materiale strutturato )
- Materiale:
Basetta per componenti a spina Lampade 2.5V 2x
Spine da ponte 3x
Batterie 1.5V 2x
Portalampade 2x
Interruttore
- Esecuzione dell’esperimento:
1. Mettere le batterie nella loro sede sotto la basetta.
2. Montare i componenti a spina nella basetta come illustrato in figura.
3. Lasciare l’interruttore aperto.
4. Chiudere l’interruttore e guardare le due lampade.
5. Svitare una lampada e guardare l’altra.
6. Avvitare di nuovo la lampada e guardare cosa succede.
- Risultato dell’esperimento:
Se due utilizzatori sono collegati in parallelo al generatore, i rispettivi circuiti possono funzionare
indipendentemente l’uno dall’altro. Infatti, l’interruzione di un circuito non influisce sul
funzionamento dell’altro. La tensione ai capi delle due lampade è sempre la stessa.
Materiale
Modello con interruttore aperto (lampade spente)
Modello con interruttore chiuso (lampade accese)
COLLEGAMENTO IN SERIE DI UTILIZZATORI
( Soluzione con materiale strutturato )
Materiale:
Basetta per componenti a spina
Spine a ponte 3x
Portalampada 2x
Lampade 2.5V 2x
Batterie 1.5V 2x
Interruttore
-Esecuzione dell’esperimento:
1. Mettere le batterie nella loro sede sotto la basetta.
2. Montare i componenti a spina nella basetta.
3. Lasciare l’interruttore aperto.
4. Chiudere l’interruttore e guardare le lampade.
5. Svitare una lampada e guardare l’altra.
6. Avvitare di nuovo la lampada e guardare cosa succede.
-Risultato dell’esperimento:
Se due utilizzatori sono collegati in serie al generatore, essi sono percorsi dalla stessa corrente.
Togliendo un utilizzatore dal circuito, s’interrompe anche l’altro circuito.
Poiché la tensione della batteria si distribuisce sulle lampade, la loro luminosità diminuisce.
Materiale
Modello con interruttore aperto (lampade spente)
Modello con interruttore chiuso (lampade accese)
Conoscenze acquisite: collegamento di utilizzatori
Più utilizzatori sono collegati in serie quando sono montati uno dopo l’altro, in modo da dover
essere attraversati tutti dalla stessa corrente. La tensione si suddivide proporzionalmente su ogni
utilizzatore, mentre la resistenza elettrica totale incontrata dalla corrente è uguale alla somma delle
resistenze inserite nel circuito:
Vtot = V1+ V2+V3 ………
Rtot = R1+ R2 + R3 …….
Se però un utilizzatore, per esempio una lampada, smette di funzionare il circuito si interrompe e si
spengono anche gli altri utilizzatori; l’illuminazione dell’albero di Natale è un tipico esempio di
utilizzatori collegati in serie.
Più utilizzatori sono, invece, collegati in parallelo se hanno gli estremi in comune.
In tal caso gli utilizzatori vengono attraversati dalla stessa tensione e percorsi da intensità di
corrente inversamente proporzionale alla loro resistenza :
Vtot = V1 =V2 =V3 ……
Itot = I1 + I2 + I3 ….
La resistenza totale è sempre minore di ogni resistenza collegata; se gli utilizzatori hanno resistenza
uguale, la resistenza totale è data dal valore di una resistenza diviso per il numero delle resistenze:
Rtot = R/n
In questo collegamento ogni utilizzatore funziona indipendentemente dagli altri. Per questo, il
collegamento in parallelo viene generalmente usato nelle abitazioni e negli impianti industriali.
Conoscenze acquisite: collegamento di generatori
Quando si ha bisogno di una tensione ( voltaggio ) più elevata di quella che può generare un solo
generatore ( per esempio una pila o un accumulatore ) si ricorre al collegamento in serie.
Tale collegamento avviene unendo il polo positivo di un elemento con quello negativo del
successivo e così via; si ottiene così una batteria di pile o di accumulatori, la cui tensione risulta
uguale alla somma delle tensioni dei singoli elementi, mentre l’intensità di corrente è uguale a
quella che potrebbe fornire un solo elemento:
Vtot = V1 +V2 +V3
Itot = I1 =I2 =I3
Si ricorre invece al collegamento di più generatori in parallelo quando si vuole ottenere una
corrente elettrica di intensità maggiore di quella che può erogare un solo generatore. Si ottiene il
collegamento in parallelo unendo tra loro i poli positivi da un lato ed i poli negativi dall’altro: la
tensione sarà pari a quella fornita da un solo elemento, mentre l’intensità di corrente risulterà uguale
alla somma delle intensità erogate dai singoli elementi:
Vtot = V1 = V2 = V3
Itot = I1 + I2 + I3
RESISTENZA DI RISCALDAMENTO A FILO
( Soluzione con materiale strutturato )
Occorrente:
-Basetta per componenti a spina
-3 spine a ponte
-Interruttore
-2 morsetti a coccodrillo
-2 batterie 1.5V
-Resistenza di riscaldamento a filo
Esecuzioni dell’esperimento:
1.Mettere le batterie nella loro sede sotto la basetta.
2.Montare i componenti a spina nella basetta.
3.Lasciare l’interruttore aperto.
4.Tagliare 20 cm di filo della resistenza di riscaldamento ed avvolgerlo intorno ad una matita.
5.Grattare la vernice isolante alle due estremità del filo con un oggetto tagliente ed agganciare i due
estremi nudi ai morsetti a coccodrillo.
6.Chiudere l’interruttore per circa 30 secondi e poi aprirlo di nuovo.
7.Toccare il filo della resistenza di riscaldamento e verificare se si è riscaldato.
Risultato dell’esperimento:
Alcuni materiali filiformi si riscaldano sensibilmente a causa della circolazione di corrente. Questi
materiali sono usati per trasformare l’energia elettrica in energia termica.
MATERIALI CONDUTTORI E ISOLANTI
( Soluzione con materiale strutturato )
Occorrente:
-Basetta per componenti a spina
-2 spine a ponte
-Portalampada
-2 morsetti a coccodrillo
-Lampada 2.5V
-2 batterie 1.5V
-Interruttore
-Serie di conduttori ed isolanti
Esecuzione dell’esperimento:
1.Mettere le batterie nella loro sede sotto la basetta.
2.Montare i componenti a spina nella basetta.
3.Lasciare l’interruttore aperto.
4.Agganciare i vari materiali con i due morsetti a coccodrillo.
5.Chiudere l’interruttore
6.Individuare i materiali con i quali la lampada è accesa.
Risultato dell’esperimento:
La corrente elettrica non circola nel vetro
La corrente elettrica circola nella grafite
La corrente elettrica circola nel rame
CONCLUSIONE
La corrente elettrica non circola con tutti materiali.
I materiali in cui si ha la circolazione della corrente elettrica si chiamano CONDUTTORI
ELETTRICI. I materiali nei quali non si ha circolazione di corrente si chiamano ISOLANTI.
IL CAMPANELLO ELETTRICO
( Soluzione con materiale strutturato )
Materiale:
Basetta
Spina a ponte
Interruttore
Campanello elettrico
Batterie 1.5V 2x
Esecuzione dell’esperimento:
- Mettere le batterie nella loro sede sotto la basetta.
- Montare i componenti a spina nella basetta.
- Lasciare l’interruttore aperto.
- Chiudere per qualche istante l’interruttore e controllare il comportamento del campanello
elettrico.
Risultato dell’esperimento:
Ad interruttore chiuso, la corrente elettrica circola attraverso la bobina del campanello e crea un
campo magnetico.
La bobina attrae un braccio di ferro (armatura) alla cui estremità c’è un martelletto che va a colpire
il campanello.
Contemporaneamente, il movimento dell’armatura apre il circuito e la forza dovuta al campo
magnetico si annulla.
L’armatura torna indietro e chiude di nuovo il circuito.
I ripetuti colpi del martelletto fanno squillare il campanello.
Materiale
Modello realizzato
L’ ELETTROMAGNETE
( 1^ soluzione con materiale strutturato)
Materiale:
1.Basetta per componenti a spina
2.Spina a ponte
3.Pallina d’acciaio
4.Bobina con innesti a spina
5.Batterie 1.5V 2x
6.Interruttore
Esecuzione dell’esperimento:
Mettere le batterie nella loro sede sotto la basetta. Montare i componenti a spina nella basetta.
Inizialmente, lasciare l’interruttore aperto. Tenere la basetta con una mano, chiudere l’interruttore,
mettere la pallina d’acciaio sotto la bobina in corrispondenza del nucleo e lasciarla libera. Aprire
l’interruttore e guardare la pallina.
Risultato dell’esperimento:
La corrente elettrica che circola nella bobina crea un campo magnetico rafforzato dalla presenza del
nucleo di ferro.
Per questo motivo, all’estremità del nucleo si sviluppa una forza più grande della forza del peso
della pallina d’acciaio.
Quando si apre il circuito, il campo magnetico si annulla e l’energia potenziale della pallina
d’acciaio si trasforma in energia cinetica.
Materiale
Modello
L’ ELETTROMAGNETE
( 2^soluzione con materiali reperiti dai ragazzi)
Occorrente:
- Bullone di ferro con dado ( lunghezza cm.8 )
- Filo di rame unipolare isolato ( alcuni metri )
- Batteria da 4,5 volt
- Due morsetti a coccodrillo
- Forbici, cacciavite, pinze
- Assortimento di chiodi, puntine, fermagli…
Procedimento operativo:
1. avvolgere il filo di rame a spire molto strette intorno al bullone (nucleo), lasciando
circa 10 cm. di filo sporgente alle due estremità delle spirali, per fare i collegamenti
2. raschiare con le forbici lo smalto isolante alle due estremità del filo che esce dalla
bobina
3. collegare le estremità del filo ai due morsetti “coccodrillo”
4. collegare un coccodrillo al polo+ e l’altro al polo- della batteria (in modo da
permettere il contatto del rame con il generatore di corrente elettica )
5. avvicinare l’elettrocalamita ai pezzetti di metallo
6. scollegare un coccodrillo dalla batteria
Osservazioni
L’elettromagnete solleva i pezzetti di metallo, come se fosse un magnete permanente.
Scollegando un morsetto, il circuito si apre e l’elettromagnete non può più trattenere i pezzetti di
metallo, che cadono.
Conclusioni
Con questa attività operativa abbiamo verificato il fenomeno dell’elettromagnetismo , secondo cui
un filo elettrico , percorso da corrente elettrico, genera un campo magnetico che viene fortemente
potenziato se il filo è avvolto a spirale intorno a un nucleo di ferro.
Si può potenziare la forza di attrazione dell’elettrocalamita costruita, aumentando l’avvolgimento a
spirale attorno al bullone, oppure si possono collegare più batterie di pile in serie: avremmo un
elettromagnete più potente.
IL MOTORINO ELETTRICO
(Soluzione con materiale strutturato)
Materiale:
-Basetta per componenti a spina
-Spina a ponte
-Interruttore
-Motore con innesti a spina
-Batterie 1.5 V 2x
Esecuzione dell’esperimento:
1.Mettere le batterie nella loro sede sotto la basetta.
2.Montare i componenti a spina nella basetta.
3.Inizialmente, lasciare l’interruttore aperto.
4.Chiudere per qualche istante l’interruttore ed osservare il funzionamento del motore.
5.Ad interruttore chiuso, spingere leggermente con due dita sulla puleggia del motore ed osservare
l’effetto prodotto sul suo funzionamento.
Risultato dell’esperimento:
Ad interruttore chiuso, nella bobina (armatura) all’interno del motore, si ha una circolazione di
corrente che crea un campo magnetico.
Solidale alla carcassa del motore (statore), è montato un magnete permanente.
Le forze di attrazione e di repulsione tra i due campi magnetici generano il movimento rotatorio
dell’armatura imperniata sullo statore.
Quando il motore funziona sotto carico, il suo numero di giri diminuisce.
Motorino con interruttore aperto
Motorino con interruttore chiuso