ELETTRICITA E MAGNETISMO

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1 ELETTRICITA E MAGNETISMO Per iniziare facciamo due chiacchiere per richiamare i contenuti teorici delle esperienze che costruiremo in laboratorio: Cariche elettriche Si distinguono due tipi di carica: positiva e negativa. Cariche elettriche dello stesso segno si respingono, quelle di segno contrario si attraggono. Le sostanze sono composte da atomi Un atomo e formato da un nucleo (positivo) e una nube di elettroni periferici (negativi) In condizioni normali un atomo contiene tante cariche positive quante negative, l'equilibrio dei due tipi cariche rende l' atomo neutro. Anche i corpi sono normalmente neutri. Mentre i nuclei sono difficilmente modificabili (processi nucleari) e abbastanza facile che un atomo ceda o acquisti più elettroni = ione

2 In questo caso l atomo diviene elettricamente carico Anche un corpo può avere più o meno elettroni rispetto alla sua condizione di neutralità in questo caso il corpo e elettricamente carico. PALLONCINI ELETTROSTATICI Utilizzando comuni palloncini di gomma è possibile realizzare diverse interessanti esperienze triboelettriche. Oltretutto, giocare con i palloncini è molto divertente. MATERIALE NECESSARIO : palloncini di gomma gonfiabili la capigliatura dei presenti filo sottile una lattina di bibita vuota Il filo deve essere sottile per pesare il meno possibile. La lattina deve essere più leggera possibile

3 ESPERIENZA n 1 I PALLONCINI "ANTIGRAVITAZIONALI" Sfregare il palloncino sui capelli di una persona, in modo da caricare una buona superficie dello stesso. Appoggiare il palloncino su di una superficie verticale (che non sia di un materiale conduttore). Le cariche del palloncino e quelle della superficie di appoggio si attraggono e il palloncino stazionerà nella posizione in cui lo avremo messo. In questo modo è anche possibile creare vere e proprie scritte, o disegni, "appiccicate" magicamente sul muro... ESPERIENZA N 2 LA "CORSA DELLE LATTINE" Sfregare il palloncino sui capelli di una persona o su un maglione di lana o di pile, in modo da caricare una buona superficie dello stesso. Avvicinare il palloncino alla lattina in modo che le cariche si attirino (non toccare la lattina con il palloncino). La lattina si muoverà verso il palloncino. La velocità della lattina dipende dalla "forza" della carica del palloncino.

4 ESPERIENZA N 3 PALLONCINI REPULSIVI Gonfiare i palloncini e legarli con un filo lasciandoli penzolare. I due palloncini si si toccano. Strofinare i palloncini con lo stesso tipo di materiale (capelli, lana, pile...) sulla superficie più vasta possibile e lasciarli penzolare. I palloncini strofinati posseggono lo stesso tipo di carica e le cariche di segno uguale si respingono. Per questo motivo i palloncini non si toccano.

5 ELETTROSCOPIO L'elettroscopio è uno strumento che serve a visualizzare la carica elettrica di un oggetto. E' formato da un'asta di metallo con una sfera ad una estremità e due sottili foglioline d'oro all'altra. L'asta è inserita in un contenitore trasparente da cui sporge l'estremità sferica. E' possibile autocostruire con materiale di recupero un elettroscopio perfettamente funzionante. MATERIALE NECESSARIO: un barattolo di plastica trasparente o vetro con coperchio un pezzo di cavo elettrico due striscioline di Domopak alluminio COME COSTRUIRLO: spelare il filo elettrico alle due estremità per un tratto abbastanza lungo intrecciare il filo ad una estremità e formare un anello

6 piegare a doppio uncino i fili all'altra estremità preparare due striscioline di Domopak e forarle ad una estremità appendere le striscioline ai due uncini, in modo che siano abbastanza vicine e possano liberamente muoversi forare il tappo del barattolo e farvi passare il filo Ecco due modelli di elettroscopio finiti: il modello "barattolo di marmellata" e il modello "contenitore di cottonfioc"

7 Volenterosi costruttori di elettroscopi fatti in casa al lavoro... FUNZIONAMENTO DELL'ELETTROSCOPIO Occorre avere un corpo caricato per strofinio (una bacchetta di vetro, un tubo di plastica, il corpo di plastica di una penna biro, un palloncino gonfiabile...). Un ottimo e potente generatore elettrostatico può essere autocostruito con un tubo di PVC e uno straccio di cotone avvolto intorno. Il movimento delle foglioline dell'elettroscopio può essere causato in due modi: 1. per contatto (toccando l'estremità ad anello dell'elettroscopio con il corpo strofinato) 2. per induzione (avvicinando, senza toccarlo, il corpo carico all'estremità ad anello dell'elettroscopio) Nel primo caso le cariche elettriche passano dal corpo carico al conduttore dell'elettroscopio e quindi alle foglioline; le cariche di segno uguale si respingono e le foglioline si divaricano e restano distanziate tra di loro.

8 Nel secondo caso le cariche presenti nel corpo strofinato attirano le cariche di segno opposto del conduttore dell'elettroscopio verso l'anello superiore, le cariche di segno uguale si raccolgono nelle foglioline che divergono fino a che allontaniamo il corpo carico e le cariche del conduttore dell'elettroscopio tornano a mescolarsi, a questo punto le foglioline si riavvicinano. CAMPANELLO DI FRANKLIN Sfruttando un generatore elettrostatico, un pennarello e due lattine è possibile costruire il "campanello" di Benjamin Franklin. Lo scienziato americano l'aveva costruito per essere avvertito dell'imminenza di un fulmine sfruttando la diversità di potenziale elettrico tra il suolo e l'aria. MATERIALE OCCORRENTE: Due lattine da bibita Un pennarello, filo sottile, la linguetta dell'apertura a strappo della lattina

9 Generatore elettrostatico a TV MONTAGGIO DEL "CAMPANELLO DI FRANKLIN": Fissare la linguetta a strappo a metà del pennarello con una strisciolina di nastro adesivo; appoggiare il pennarello tra le due lattine; Collegare con un cavo elettrico una lattina al generatore elettrostatico a TV e l'altra con un cavo elettrico ad un termosifone per la presa a terra. Ecco il "campanello di Franklin" al lavoro:... MA COME FUNZIONA?

10 1. le due lattine hanno carica elettrica opposta e anche il "pendolo" possiede una sua carica iniziale, 2. il "pendolo" viene attratto verso la lattina che ha, in quell'istante, una carica opposta alla sua, 3. la tocca, viene caricato per contatto della medesima carica e quindi viene respinto, 4. si avvicina alla lattina opposta... e tutto ricomincia di seguito. Se la carica fornita dal generatore è elevata, si possono osservare, all'avvio, notevoli scintille blu scoccare tra il "pendolo" e le lattine. MULINELLO ELETTROSTATICO La concentrazione di cariche elettriche è particolarmente evidente in prossimità di oggetti conduttori di forma appuntita. E' per questa ragione che i parafulmini sono a punta. Si può sfruttare l'effetto "punte" per costruire un mulinello elettrostatico. MATERIALE NECESSARIO: Un bicchiere di plastica, un piatto di plastica, una biro, due graffette da ufficio, due lattine, una striscia di Domopak, spezzoni di cavo elettrico e colla vinilica. Generatore elettrostatico a TV MONTAGGIO DEL "MULINELLO ELETTROSTATICO":

11 Rivestire di stagnola il bicchiere di plastica in modo da formare molte strisce intervallate da spazi vuoti. Aprire le graffette da ufficio e fissarle con nastro adesivo al fianco di ciascuna lattina. Incollare la biro al centro del piatto come sostegno per il bicchiere, fissare le due lattine ai lati del piatto di plastica Montare il tutto come in figura, collegare una lattina con il cavo elettrico al "generatore a TV" e l'altra al termosifone come presa a terra. Ecco il mulinello elettrico in funzione:

12 ... MA COME FUNZIONA? L'accumulo delle cariche elettriche opposte sulle punte dei fermagli genera una specie di "vento elettrico" che, per induzione, "spinge" sulle parti di stagnola del bicchiere "rotore", il susseguirsi delle spinte pone in rotazione il bicchiere. Occorre qualche tentativo per posizionare le punte ad una distanza efficace dal rotore e qualche accorgimento per far sì che l'attrito tra la punta della biro e il bicchiere sia il minimo possibile. Gli strumenti da utilizzare nelle esperienze di elettrostatica non sono particolarmente difficili da autocostruire e non sono pericolosi. In questa pagina sono elencati gli strumenti ed i materiali utili alla sequenza didattica proposta per l'elettricità statica. GENERATORE ELETTROSTATICO N 1 Si tratta di un tubo di PVC (tipo quelli utilizzati per le condutture elettriche). Attorno al tubo è avvolto uno straccio di cotone tenuto aderente con un elastico. Oltre al cotone si possono provare altri materiali tipo lana, pelo di coniglio, pile...

13 GENERATORE ELETTROSTATICO N 2 E' possibile utilizzare lo schermo di un comune televisore come generatore elettrostatico. Occorre appoggiare un foglio di Domopak alluminio sullo schermo, collegato con un morsetto ad un filo. Il potenziale di carica è molto elevato, ma la corrente è pochissima. Per sicurezza è meglio interporre tra il vetro dello schermo e il foglio di Domopak uno strato sottile di materiale isolante (tipo polistirolo). Per maggiore sicurezza i bambini non devono toccare MAI il generatore a TV e la messa in opera deve essere esclusivamente compiuta dal docente, il quale deve porre attenzione a non cortocircuitare il sistema per non rischiare una poco piacevole scossa elettrica (che, anche se la corrente è debole, può comportare dei rischi) ELETTROSCOPIO Per costruire un elettroscopio occorrono un barattolo trasparente con coperchio, un pezzo di cavo elettrico e striscioline di Domopak CAMPANELLO DI FRANKLIN Per la costruzione sono necessarie due lattine, la linguetta a strappo di una lattina, un pennarello, spezzoni di cavo elettrico e il "generatore a TV"

14 MULINELLO ELETTRICO Per la costruzione sono necessarie due lattine, una biro, spezzoni di cavo elettrico, un bicchiere di plastica, un piatto di plastica, due fermagli di metallo da ufficio, striscia di Domopak e il "generatore a TV". In questa serie di esperienze verranno affrontati i concetti di corrente elettrica, circuito elettrico, materiali conduttori e non conduttori, resistenza e misure elettriche. Correnti elettriche Ciò che chiamiamo "corrente elettrica" è uno spostamento di elettroni all'interno di un corpo. Un corpo capace di trasportare cariche elettriche si dice conduttore altrimenti è chiamato isolante ; generalmente i corpi non sono conduttori o isolanti perfetti. I conduttori tipici sono i metalli (noi ci limiteremo a questi), gli isolanti più comuni sono: plastica, gomma, legno secco, vetro. La capacità di un corpo di trasportare cariche elettriche prende il nome di conduttanza, il suo inverso resistenza (R). In un metallo la conduzione elettrica avviene tramite spostamento di elettroni; il trasporto di cariche in un conduttore prende il nome di corrente (I) (carica trasportata/tempo). Il prodotto corrente per resistenza prende il nome di tensione (V) Quindi: V = R * I (legge di Ohm) Questo non vale sempre in assoluto, ma per i metalli sicuramente. La potenza W (energia /tempo) trasportata da un conduttore e : W = V * I Le unità di misura sono: Tensione: Volt (V)

15 corrente: Ampere (A) resistenza: Ohm (Ω) potenza: Watt (W) Per acquistare familiarità con queste unità di misura, consideriamo i seguenti esempi: la tensione della rete domestica e 220 V, quella di una pila 1.5 V, l accumulatore dell automobile 12 V quella ottenuta con gli esperimenti di elettrostatica V (1 10 kv) la corrente che fluisce in un lampadina domestica (incandescenza) da 100 W: circa 0.5 A la resistenza fra le mani : Ω ( Ω) (500 k Ω 1 M Ω ) La potenza assorbita da un ferro da stiro: circa 1000 W (1 kw) Il primo circuito da provare è un circuito composto da una batteria e una lampadina. MATERIALE: una batteria quadrata da 4,5 volt una lampadina da bicicletta un portalampadine ESPERIENZA: si invitano semplicemente gli alunni a cercare di provare tutti i modi per accendere la lampadina.

16 Durante l'esperienza si scoprirà che basta semplicemente appoggiare i piedi del portalampadine sui becchi di contatto della batteria. Non importa il verso. Le cariche elettriche viaggiano da un polo della batteria all'altro (dal negativo al positivo), passando attraverso i piedi del portalampadine e il filamento della lampadina. Vi è una corrente di elettroni. Fare eventualmente notare l'aumento di temperatura del bulbo della lampadina. Il circuito è chiuso perché le cariche elettriche lo possono percorrere senza interruzioni. A questo punto occorrerà compiere una breve serie di esperienze per verificare quali materiali lasciano passare agevolmente la corrente elettrica e quali invece oppongono resistenza (parziale o totale). Si tratta di sperimentare un semplice circuito in cui posizionare diversi materiali tra la batteria e la lampadina. In questo caso l'accensione della lampadina sarà il segnale che il materiale lascia passare corrente. MATERIALE OCCORRENTE:

17 Batteria da 4,5 volt lampadina da bicicletta con portalampadine interruttore legno, carta, plastica, metallo, gomma. Inserendo un materiale conduttore (tipicamente un metallo) si vedrà accendersi la lampadina, segno che il materiale utilizzato è buon conduttore di corrente. Nello schema a fianco si può vedere come le cariche passino attraverso il materiale sperimentato e la lampadina si accenda.

18 Inserendo nel circuito un materiale non conduttore la lampadina non si accende, segno che il circuito è interrotto perché la corrente non riesce a passare attraverso il materiale sperimentato. Nello schema a fianco si può vedere come le cariche non passino attraverso il materiale sperimentato e la lampadina non si accenda. Vi sono casi in cui il materiale lascia passare meno facilmente la corrente elettrica perché oppone una maggiore resistenza. Si può ben evidenziare questo fenomeno nella seguente esperienza: MATERIALE NECESSARIO: lampadina e portalampadina batteria da 4,5 volts morsetti a coccodrillo mina di grafite

19 Se i morsetti sono in posizione ravvicinata sulla mina di grafite la resistenza è minore e la luminosità della lampadina è maggiore. Se i morsetti sono più distanti sulla grafite la resistenza è maggiore e la luminosità della lampadina è minore. In questa esperienza costruiremo un certo tipo di circuito elettrico chiamato "circuito in parallelo" e sperimenteremo le sue proprietà. MATERIALE OCCORRENTE:

20 Due lampadine da bicicletta con portalampadine spezzoni di fili elettrici batteria da 4,5 Volt In questo circuito sono accese entrambe le lampadine, fare notare bene come sono collegate. Nello schema si nota bene come le cariche elettriche possano percorrere tutto il circuito.

21 Se tolgo una lampadina (a scelta) dal circuito l'altra resta accesa. Nello schema si nota quale sia il circuito percorso dalle cariche elettriche. In questo esperimento proveremo a fabbricare un "circuito in serie" e vedremo quali sono la differenze dal "circuito in parallelo". MATERIALE OCCORRENTE: Due lampadine da bicicletta con portalampadine spezzoni di fili elettrici batteria da 4,5 Volt

22 In questo modo entrambe la lampadine sono accese. Fare notare bene in che modo siano connessi i collegamenti. Nello schema si nota bene quale sia il circuito percorso dalla corrente elettrica. Togliendo una lampadina (a scelta) in questo circuito anche l'altra si spegne ( a differenza di quello che accadeva nel circuito in parallelo). Nello schema si nota bene che il circuito è aperto e le cariche non possono percorrerlo.

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