Un po' di storia: le cariche elettriche.

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1 Un po' di storia: le cariche elettriche. Più di duemila anni fa i greci erano rimasti colpiti dalle caratteristiche dell'ambra, una resina prodotta da alcuni alberi e induritasi col tempo. Dopo averla strofinata con un panno di lana, essa acquista la proprietà di attrarre corpi leggeri (pezzetti di paglia, piccoli semi) che si trovano nelle sue immediate vicinanze. La parola elettricità deriva dal greco elektron, che vuol dire appunto ambra. Le cariche elettriche sono rappresentate dalle particelle cariche dell atomo: - Gli elettroni, portatori di una carica negativa - I protoni, portatori di una carica positiva. I neutroni non portano nessuna carica. Costo dell'elettricità. Noi inizieremo il nostro viaggio alla scoperta di questa ormai indispensabile fonte di energia partendo proprio da una cosa molto comune (ma non certo gradita ): la fattura per la fornitura di elettricità! Elettricità Pagina 1

2 La fattura per la fornitura di energia. Ecco un esempio di fattura per la fornitura di energia elettrica. Alcune posizioni sono facilmente comprensibili, altre sono invece poco chiare! Ma come procede la società fornitrice per stabilire l'importo che dobbiamo pagare? Il prezzo dell energia elettrica viene calcolato in base agli scatti rilevati dal contatore. - di giorno ( ) il prezzo è di 14,9 ct - di notte ( ) il prezzo è di 8,9 ct Viene riscossa anche una tassa di abbonamento fissa! (49. ogni sei mesi). Elettricità Pagina 2

3 Quanto costa. far funzionare per un certo tempo uno dei nostri apparecchi elettrici? Ovviamente dipende dall apparecchio! Come visto l azienda elettrica a cui facciamo capo, periodicamente ci invia una fattura per la fornitura di energia. Per calcolare l importo dovuto si deve procedere alla lettura del contatore che si trova in ogni casa o appartamento. Per meglio comprendere il suo funzionamento leggiamo attentamente la targhetta e proviamo a far funzionare diversi apparecchi collegandoli alla rete elettrica attraverso il contatore. Ogni 2400 giri Del disco il contatore avanza di 1 scatto (kwh) Penso che funzioni così... Il disco rotante si mette in movimento quando viene inserito un apparecchio elettrico. Ogni 2400 giri il visualizzatore aumenta di 1 kwh. 1 kwh costa 14,9 ct di giorno e 8,9 ct di notte! (kwh : unità di misura per l energia!) Elettricità Pagina 3

4 Quali apparecchi necessitano di tanta energia elettrica? Il disco metallico rotante e le cifre del contatore girano con velocità diversa a dipendenza dell'apparecchio stiamo utilizzando. Facciamo una semplice esperienza: Facciamo bollire un litro di acqua e annotiamo le seguenti misure: tempo impiegato in secondi; quanti giri ha compiuto il disco del contatore; leggiamo anche le indicazioni tecniche riportate sul bollitore ad immersione. Indicazioni tecniche del bollitore Tempo impiegato per far bollire l'acqua Giri compiuti dal disco del contatore Altre osservazioni 220Volt / 1000 Watt Circa 6 minuti 40 al minuto; 240 in 6 minuti T iniziale acqua: 20 C T finale: 100 C 2400 giri = 1 kwh -> 14,9 ct 240 giri = 0,1 kwh -> circa 1,5 ct Far bollire 1litro di acqua del rubinetto costa circa 1,5 ct! Elettricità Pagina 4

5 La potenza. Dopo aver oscurato l aula, illuminiamola con differenti lampadine inserite su un portalampade da tavolo (vedi illustrazione). Anche in questa occasione colleghiamo il portalampada alla rete attraverso il contatore. Come varia la luce emessa dalle varie lampadine? Quanti giri compie il disco del contatore in un minuto? Completa la tabella leggendo anche quali indicazioni tecniche troviamo sulla lampadina stessa o sul suo imballaggio. Lampadina 1 Lampadina 2 Lampadina 3 Indicazioni tecniche Giri del contatore (in un minuto) Luce emessa 220V / 25 W 220V / 60 W 220V / 100 W Meno di 1 2 giri 4 giri DEBOLE MEDIA FORTE Maggiore è la potenza (espressa in Watt) dell - apparecchio, più elevato sarà il costo per farlo funzionare! Abbiamo provato con una lampadina a basso consumo con una luminosità simile a quella di una lampadina classica da 60W: consuma pochissimo! Il disco ruotante si muove in modo lentissimo! Molto meno di 1 giro al minuto! Elettricità Pagina 5

6 Potenza degli elettrodomestici più comuni. Ogni apparecchio elettrico è provvisto di una targhetta con l indicazione delle sue caratteristiche tecniche. Nella tabella sottostante riporta tali valori per alcuni degli apparecchi elettrici che vengono regolarmente usati a casa tua. Apparecchio Tensione Volt Potenza Watt Osservazioni Televisore 220/ Penso che farlo funzionare costi POCO! Asciugacapelli MEDIO! Lampada POCO! Aspirapolvere MEDIO! Lavatrice 220/ MOLTO! Lettore DVD POCO! Boiler 220/ MOLTO! Computer port. 110/220 Max 90 POCO! Micro-onde MEDIO! Stufa cucina 220/ MOLTO! Gli apparecchi elettrici più golosi di energia sono quelli riscaldanti (boiler, stufa, )! Gli apparecchi elettronici (computer, DVD, ) sono invece piuttosto economici. Elettricità Pagina 6

7 Esercizio 1. Ora che abbiamo capito come viene calcolato l importo da versare alla società elettrica e quanto costa l energia necessaria per far funzionare per un certo tempo un apparecchio, rechiamoci nell aula di informatica e con EXCEL realizziamo il seguente lavoro: - Foglio Excel che calcoli l ammontare della fattura partendo dalle indicazioni fornite dal contatore. =D5 + D6 Fisso! =D8*2.3/100 =D5*G5/100 =D6 * G6/100 =D10+D12+D14+D16 =D18*7.6/100 =D18 + D20 Abbiamo chiesto informazioni riguardo la "Tassa sulla potenza". Noi pensavamo che si trattasse di una tassa calcolata in base alla potenza massima degli apparecchi installati in una casa Ebbene no! In pratica si tratta di un aumento del prezzo di 1 kwh! Indipendentemente dal fatto che si tratti di energia fornita di giorno o di notte, al prezzo del kwh viene semplicemente aggiunto un sovrapprezzo di 2.3 centesimi! Elettricità Pagina 7

8 Esercizio 2. Calcola, per la tua regione, il costo medio dell'energia elettrica e prepara il seguente lavoro: - Foglio Excel che permetta di calcolare quanto costa far funzionare un apparecchio per un'ora. Quante ore può funzionare lo stesso apparecchio con 1 fr? Ricorda: 1 kw = 1000W 1 fr = 100 ct C6/1000 * C2/ /(C6*C2) Produzione e trasporto dell elettricità. Da dove proviene l elettricità che utilizziamo? Come visto, nella vita di tutti i giorni siamo confrontati con innumerevoli apparecchi che per il loro funzionamento necessitano di elettricità. Una rapida analisi ci permette di identificare tre possibili mezzi per ottenerla: Pila elettrica (talvolta ricaricabile) Celle fotovoltaiche (collettori solari) Rete di distribuzione Elettricità Pagina 8

9 Conduttori ed isolanti. Per giungere nelle nostre case l elettricità necessita di una linea di trasporto. Tutti i materiali sono adatti per il trasporto della corrente elettrica? Per scoprirlo utilizziamo una semplice lampadina collegata a una pila. Interrompiamo il collegamento ed inseriamo materiali diversi lungo il circuito. Se il materiale esaminato lascia passare la corrente anche la lampadina si accenderà. Materiale Legno Ferro Rame Plastica Cartone Vetro Alluminio Stagno SI/NO NO SI SI NO NO NO SI SI I materiali che permettono il passaggio della corrente elettrica si chiamano CONDUTTORI. Quelli che non lasciano passare l elettricità si chiamano invece ISOLANTI. I migliori conduttori dell elettricità sono i METALLI. (i migliori in assoluto sono l argento e il rame) Elettricità Pagina 9

10 La pila. La pila è un sistema elettrochimico che consente di trasformare l energia chimica in energia elettrica. La prima pila fu ideata da Alessandro Volta nel La pila di Volta era formata da coppie di dischi di zinco e di rame sovrapposti e separati da dischetti di panno imbevuti di una soluzione di acido solforico. Utilizzando gli stessi materiali impiegati da Alessandro Volta costruiamo la nostra pila. Colleghiamo ora le piastrine metalliche a un piccolo motore. Prova ora ad intercalare un numero maggiore di piastrine di metallo. Il motore, alimentato dalla nostra pila, comincia a girare! Con un numero maggiore di piastrine (4) la velocità di rotazione aumenta notevolmente. Se invertiamo i collegamenti il motore gira nel senso inverso. Alessandro Volta: Volta Alessandro (Como ), fisico italiano, da cui prese il nome l'unità di misura della differenza di potenziale elettrico, il volt. Divenuto professore di fisica alla Scuola Reale di Como, lo scienziato mise a punto la cosiddetta "pila di Volta", una sorta di antenata della batteria elettrica, composta di una serie di piastre di ferro e zinco alternate con pezzi di stoffa imbevuti di una soluzione salina, che produceva un flusso di elettricità costante. Elettricità Pagina 10

11 La cella fotovoltaica. Nei luoghi discosti, ma anche per far funzionare piccoli apparecchi elettronici, l elettricità è originata da celle fotovoltaiche meglio conosciute come "pannelli solari". Una cella fotovoltaica è in grado di convertire l energia luminosa in energia e- lettrica. Proviamo a far funzionare il nostro motore elettrico con una cella fotovolatica: La cella fotovoltaica fornisce elettricità a sufficienza per far girare il motore. Se copriamo la cella il motore si ferma! La rete di distribuzione dell elettricità. La maggior parte dei nostri apparecchi funziona però grazie all elettricità che giunge nelle nostre case grazie alla rete di distribuzione. Ma cosa ci sarà "dietro" la banalissima presa di corrente che si trova anche al tuo posto di lavoro? Prova a risalire la rete di distribuzione fino al punto dove l elettricità ha origine!??????? Elettricità Pagina 11

12 Ecco una possibile soluzione: L energia elettrica proviene da una centrale dove viene prodotta. Attraverso dei cavi viene poi trasportata a tutte le abitazioni, fabbriche,... Il GENERATORE di elettricità è una macchine che viene messa in movimento dalla rotazione di una ruota provvista di pale che a sua volta viene fatta ruotare dall acqua. Cos è questo strano apparecchio???? Elettricità Pagina 12

13 Eccolo! Si tratta proprio del comune "alternatore da bicicletta"! Permette di produrre la corrente elettrica necessaria per l'impianto di illuminazione della bici. Ma come funziona? Il miglior sistema per scoprire come funziona è aprire uno di questi strani apparecchi... L alternatore da bicicletta è un generatore di corrente elettrica mosso dalla ruota della bici. Al suo interno troviamo poche cose: un lungo filo avvolto attorno a un nucleo e una calamita che gira attorno ad esso. (In alcuni modelli la calamita è fissa e ruota il filo con il suo nucleo) Facciamo ancora una volta un salto nel passato: nel 1831 il fisico inglese Michael Faraday scoprì un interessante fenomeno: quando all interno di una bobina di filo conduttore si muove una calamita, nel filo della bobina si origina una corrente elettrica! In laboratorio possiamo riprodurre facilmente l'esperienza di Faraday. Colleghiamo i due capi di una lunga bobina di filo di rame a uno strumento di misura che indica il passaggio di corrente elettrica (microampèrometro) e muoviamo una calamita diritta avanti e indietro all'interno della bobina. L ago dell ampèrometro si muove! Significa che nel filo viene generata una corrente elettrica. Non cambia nulla se invece della calamita si muove la bobina di filo. Elettricità Pagina 13

14 L'alternatore da bicicletta. Che a muoversi sia la calamita o la bobina di filo poco importa! Il risultato è sempre il medesimo: nel filo scorre una corrente elettrica. Il comune alternatore da bicicletta è quindi un generatore di corrente elettrica e può essere costruito in diversi modi. Ecco lo schema di un possibile modello: La ruota trasmette il movimento al perno; La calamita a U ruota a qualche mm di distanza dal nucleo di ferro; Nel filo si forma una corrente elettrica. Proviamo a costruirlo con il materiale a nostra disposizione e verifichiamo il suo buon funzionamento. Sospendere con un elastico u- na calamita ad U in modo che possa ruotare; Posizionare il gioco di ferro con la bobina qualche mm sotto la calamita; Collegare la bobina al microampèrometro e far ruotare la calamita! Elettricità Pagina 14

15 Effetto calorico della corrente elettrica. La corrente elettrica non è visibile, per contro i suoi effetti sono facilmente osservabili. Realizziamo la seguente esperienza: Colleghiamo al generatore di corrente un filo di tungsteno avvolto in modo da formare alcune spire. Aumentiamo molto lentamente la tensione elettrica fornita dal generatore ed osserviamo cosa accade: Il filo si riscalda! Se continuiamo ad aumentare la tensione il filo diventa incandescente e brucia! In casa abbiamo moltissimi apparecchi elettrici il cui funzionamento si basa sull effetto calorico. Fondamentale per la sicurezza è la funzione di un piccolo elemento di cui molti sottovalutano l estrema importanza (vedi illustrazione). Di cosa si tratta? A cosa serve e come funziona? Il fusibile di sicurezza. All interno del fusibile di sicurezza c è un filo di tungsteno che porta la corrente da un estremità all altra. Se la corrente è troppo elevata il filo brucia interrompendo la corrente stessa. Elettricità Pagina 15

16 Circuiti elettrici. Analogia con il circuito idraulico. Si può paragonare la corrente elettrica al flusso dell acqua attraverso dei tubi. In questa analogia la batteria è la pompa che spinge l acqua, i fili conduttori corrispondono ai tubi nei quali scorre l acqua e l interruttore funziona in modo analogo al rubinetto. La pompa idraulica che solleva l acqua fino a un certo livello, nel circuito elettrico è rappresentata da un generatore di "dislivello elettrico", ad esempio una pila. Il dislivello elettrico o differenza di potenziale elettrico si misura in volt (V). La portata, cioè quanta acqua passa nel tubo ogni secondo, nel circuito elettrico si chiama "intensita elettrica" e si misura in ampere (A). Misurare l intensità elettrica equivale quindi a "contare" quante cariche elettriche passano nel filo ogni secondo! Elettricità Pagina 16

17 Simboli elettrici. Per rappresentare i circuiti elettrici si impiegano simboli che rappresentano i vari componenti. Ecco i più usati: + - Resistenza Collegamento Collegamento T Collegamento + Generatore Interruttore Lampadina Collegamento L Fusibile Diodo Per la costruzione dei nostri circuiti abbiamo a disposizioni degli elementi modulari con il simbolo corrispondente stampato sulla faccia superiore! Elettricità Pagina 17

18 Il seguente circuito, formato da una batteria (generatore), una lampadina (utilizzatore), un interruttore/deviatore e dei fili conduttori. lampadina fili di collegamento generatore interruttore/ deviatore diventa: Naturalmente la disposizione dei vari componenti può variare! Seguendo il circuito, ad es. partendo dal generatore, si deve tornare al generatore! (circuito chiuso!). Elettricità Pagina 18

19 Collegamento in serie e in parallelo. Gli apparecchi elettrici si possono collegare al generatore nei seguenti modi: - collegamento in serie: analogia con il circuito idraulico L analogia con il circuito idraulico mostra chiaramente che il flusso (portata) è il medesimo per i due utilizzatori. Ognuno di essi sfrutta però solo u- na parte del dislivello totale - collegamento in parallelo: analogia con il circuito idraulico In questo caso il dislivello è identico per i due utilizzatori che però si suddividono la portata del conduttore principale. Elettricità Pagina 19

20 Costruzione di un circuito con due lampadine in serie. Descrizione: Le due lampadine e- mettono una luce piuttosto debole. Un solo interruttore le spegne entrambe. Svitando una lampadina si spegne anche la seconda. Costruzione di un circuito con due lampadine in parallelo. Descrizione: Le due lampadine e- mettono una luce piuttosto forte. Ogni lampadina può essere accesa e spenta singolarmente. Svitando una lampadina la seconda resta accesa. Elettricità Pagina 20

21 Accensione e spegnimento da due punti diversi. Nelle nostre case incontriamo sovente la necessità di poter accendere e spegnere la stessa lampadina da due punti differenti (ad esempio alle due estremità di un lungo corridoio). Proviamo a costruire un circuito simile! Descrizione: Il collegamento illustrato permette di accendere la lampadina da due posizioni. Una protezione: il fusibile di sicurezza. Per proteggere gli apparecchi elettrici da indesiderati sbalzi di tensione (ad e- sempio duranti i temporali), si inserisce un fusibile di sicurezza. Come fare? Descrizione: Il fusibile di sicurezza deve essere inserito IN SERIE e brucia quando la corrente supera un determinato valore interrompendo il circuito. Elettricità Pagina 21

22 La legge di Ohm. Nell analogia con il circuito idraulico abbiamo già parlato di: - differenza di potenziale elettrico o tensione elettrica (paragonabile al dislivello tra due punti) che si esprime in volt (V) - intensità della corrente elettrica (paragonabile alla portata) che si esprime in ampere (A) Per misurare la tensione si utilizza un voltometro che va inserito in parallelo, mentre per misurare l intensità si impiega un ampèrometro che si inserisce in serie lungo il circuito. Per scoprire quale relazione esiste tra queste due grandezze costruiamo un semplice circuito, dove l utilizzatore è una resistenza scalda-acqua ad immersione. A + - V R = 10 Ω Facciamo ora variare la tensione di alimentazione e vediamo cosa capita al valore dell intensità. Riportiamo i dati nella tabella seguente. Elettricità Pagina 22

23 Tensione U (volt) Intensità I (ampere) Quale relazione esiste tra la tensione U e l intensità I? I valori misurati mostrano chiaramente l esistenza di una relazione tra la tensione U e l intensità I della corrente. I = U R Dove R è il valore della resistenza. In un circuito elettrico chiuso la tensione provoca il movimento delle cariche elettriche, cioè una corrente elettrica. Un circuito elettrico è caratterizzato dalle tre grandezze seguenti: La tensione elettrica U espressa in volt [V] L intensità della corrente I espressa in ampere [A] La resistenza elettrica R espressa in ohm [Ω] Dove: R = U I I = U R U = R. I La tensione U spinge la corrente I attraverso la resistenza R. In altre parole il valore in ohm della resistenza di un utilizzatore esprime quale tensione in volt occorre affinché la resistenza venga percorsa da un intensità di 1 ampere. Elettricità Pagina 23

24 Impianti elettrici e sicurezza. L'impianto domestico. Nel nostro impianto casalingo tutti gli apparecchi sono collegati in parallelo e la tensione è di 220 volt. I due estremi di ogni presa sono collegati a due cavi, la fase e il neutro e generalmente è presente un terzo cavo, la messa a terra che serve quale protezione in caso di incidente. NEUTRO FASE Perché gli apparecchi domestici sono collegati in parallelo? Per fare in modo che ognuno sia collegato alla stessa tensione. MESSA A TERRA Semplificando all'estremo, la figura precedente illustra come l'elettricità giunge fino alle nostre case. Come mai gli uccelli che si posano sui fili non restano fulminati dalla corrente? Perché si posano toccando solo un filo! In questo modo non chiudono il circuito! Elettricità Pagina 24

25 Effetti della corrente elettrica sul nostro corpo. Una corrente elettrica che attraversa il nostro corpo, può danneggiarlo molto seriamente. La pelle asciutta funziona da isolante impedendo cosi che l'elettricità si propaghi nell'organismo. Perché il suo potere isolante venga meno si deve verificare una situazione in cui il nostro corpo rappresenti la "chiusura" di un circuito e- lettrico. In questo caso le conseguenze possono essere irreparabili, anche perché i 220 V della corrente abitualmente fornita per gli usi domestici e, soprattutto, la sua intensità, sono più che sufficienti a uccidere una persona. In questo caso la corrente attraversa il corpo passando da una mano all altra. In questo caso la corrente attraversa il corpo passando dalla mano e si scarica a terra attraverso i piedi. Il passaggio di corrente elettrica attraverso il corpo può produrre effetti molto dannosi e talvolta addirittura letali a seconda delle caratteristiche della corrente applicata e la durata del contatto. In generale, si può dire che gli effetti dannosi della corrente dipendono dalla sua intensità e dal suo percorso attraverso il corpo. Correnti da 1 a 3 ma rappresentano la soglia della percezione e non sono pericolose. Correnti da 4 a 50 ma producono spasmi nella muscolatura scheletrica, particolarmente pericolosi quando interessano i muscoli respiratori (morte per a- sfissia). Correnti di maggiore intensità provocano l'arresto del cuore che quindi non funziona più come propulsore del flusso del sangue e provocano perciò la morte. Elettricità Pagina 25

26 In caso di incidente: cosa fare? cosa non fare? Come comportarsi in caso di folgorazione? Se il fusibile salvavita non scatta e la vittima è ancora sotto tensione bisogna disinserire prima possibile l interruttore generale della corrente. Più a lungo dura la scossa, maggiore è il rischio di danni. Quello che non si deve mai fare, altrimenti si può mettere a rischio la propria incolumità, è toccare la vittima ancora sotto tensione con le mani o con un oggetto bagnato o umido! Evitiamo i rischi! Situazioni da evitare as-so-lu-ta-men-te! Mai utilizzare apparecchi elettrici collegati alla rete quando si è nella vasca da bagno! Prima di forare una parete verificare che non ci siano fili sottomuro! Non tirare il cavo per scollegarlo dalla rete! Evitare di sovraccaricare una fase collegando troppi apparecchi alla stessa presa! Elettricità Pagina 26