POSTAZIONE 5: PILA, ENERGIA ELETTRICA IN TASCA

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1 APPROFONDIMENTI 1. Risposta alle domande Per avere luce occorre energia? Cosa sappiamo? Per accendere la luce in casa dobbiamo collegarla alla rete elettrica, in bicicletta dobbiamo pedalare per far funzionare la dinamo o mettere le pile nel fanale a LED. La materia è fatta di piccole particelle. Quando diamo energia a queste particelle (un po come se le lanciassimo in alto) esse dopo un po tornano nella situazione iniziale e restituiscono l energia che avevano ricevuto sotto forma di luce. Ci sono vari modi per dare energia a queste particelle: scaldando direttamente il materiale con una fiamma, facendo passare della corrente elettrica, collegando dei fili come nelle lampadine a incandescenza o nei LED o facendo passare una scarica elettrica come nei tubi al neon. In generale occorre quindi sempre fornire energia. A volte però questa energia si trasforma solo in parte in luce perché si produce contemporaneamente anche tanto calore. Come fa a passare la corrente? Cosa sappiamo? Per far funzionare gli apparecchi elettrici occorre collegare dei fili alle prese di corrente. Nel caso di una pila essa deve essere inserita negli appositi spazi dove ci sono dei contatti metallici e occorre posizionarle secondo le indicazioni delle polarità. Proviamo a capire prendendo l esempio di un fiume. Per far scorrere un fiume ci vuole, oltre all acqua, anche una certa pendenza perché altrimenti l acqua ristagna e non scorre. Analogamente per far passare una corrente ci vogliono delle cariche elettriche libere di muoversi e una causa che le faccia muovere. Quest ultima si chiama tensione elettrica ed è quella che si genera ai capi di una pila o di un generatore elettrico (ad es. una dinamo). Affinché passi la corrente ci vogliono quindi delle cariche elettriche libere. Queste si trovano nei conduttori metallici (fili elettrici) o nelle soluzioni saline (nell acqua del rubinetto, ma non in quella distillata). Anche i gas conducono quando sono soggetti a scariche elettriche come ad esempio i fulmini nell aria. Altre sostanze come la plastica o il legno secco non conducono la corrente, infatti i fili elettrici sono proprio ricoperti di plastica per non prendere la scossa quando vengono toccati. Ma anche noi siamo conduttori? Sì, perché la nostra pelle non è secca ma umida e ricca di soluzioni saline. CERDD, /6

2 Pile e generatori sono i dispositivi che ci permettono di disporre di energia elettrica in casa e in tasca. Le pile trasformano l energia chimica in energia elettrica sfruttando il passaggio di cariche elettriche tra due metalli diversi attraverso una soluzione salina. La prima pila fu inventata da Alessandro Volta alla fine del 1799 e fu resa nota in una lettera alla Royal Society nel marzo Il nome pila viene dal fatto che Volta la costruì impilando tre elementi che si ripetevano: dischi di zinco, di rame e di stoffa imbevuta di acqua salata. Quando le estremità della pila venivano collegate da un filo conduttore si creava un circuito in cui passava corrente in modo continuo. Generatore elettrico I generatori elettrici trasformano energia meccanica di rotazione in energia elettrica. Il funzionamento del generatore si basa sull induzione elettromagnetica scoperta da Michael Faraday: nel 1831 egli scopri come ricavare la corrente elettrica dal movimento di fili metallici in presenza di campi magnetici. In particolare nel generatore avviene che ai capi di una bobina di filo metallico che ruota in un campo magnetico si produce una tensione che permette, chiudendo il circuito, di far circolare una corrente elettrica. Come quella che agisce tra due calamite, in presenza di un campo magnetico, una forza agisce anche sulle cariche elettriche in movimento all interno del filo del generatore. Quindi occorrono campo magnetico (calamite) e il movimento di un conduttore (il rotore del generatore). CERDD, /6

3 2. Che cosa ne pensano Gaia e Fiammetta Che invenzione geniale, grazie a pile e generatori abbiamo sempre a disposizione tutta l energia che vogliamo! Alessandro Volta e la scoperta della pila La pila, antenata delle attuali batterie, fu inventata da Alessandro Volta alla fine del XVIII secolo e fu una vera rivoluzione! Infatti, molti dei dispositivi portatili che noi attualmente usiamo (cellulari, tablet, torce, macchine fotografiche digitali, ecc.) funzionano grazie alle moderne batterie. Oggi sarebbe impensabile un mondo senza batterie! Tornando a Volta, la pila che inventò fu il primo generatore di elettricità, ovvero un dispositivo in grado di produrre energia elettrica a partire da un altra forma di energia e capace di produrre corrente costante nel tempo. In seguito alla prima pila si susseguirono diverse modifiche e innovazioni fino a giungere alle batterie che tutti noi oggi conosciamo. Le batterie di oggi, forme e dimensioni per tutti i gusti Oggi esistono diversi tipi di batterie con svariate dimensioni e forme ad esempio cilindriche, a forma di prisma o di bottone. Inoltre, alcune sono ricaricabili e altre no. Infine si possono distinguere le pile anche in base alle materie prime impiegate nel fabbricarle (ad esempio zinco, litio, manganese, nichel, cadmio o piombo le più inquinanti). Il loro uso è sempre più diffuso. Una compagna di viaggio quasi sempre con noi L utilizzo di batterie e accumulatori diventa ogni anno sempre maggiore tuttavia, in Svizzera, il loro peso smerciato complessivo rimane più o meno costante sulle 3'500 t. Come si spiega questa apparente contraddizione? Il motivo va ricercato nel fatto che le batterie e gli accumulatori diventano sempre più leggeri ed efficienti. A questo si aggiunge anche il fatto che il consumo energetico dei nuovi apparecchi tende ad essere minore, quindi tendono anch essi ad essere più efficienti. Ma attento alle conseguenze, rifiuti, inquinamento e conflitti sono l altra faccia della medaglia. Produrre batterie costa, in tutti i sensi Per produrre le batterie si consumano molte risorse di un certo valore e spesso si utilizzano anche sostanze chimiche inquinanti. Se a questo aggiungiamo il fatto che le pile non convengono dal punto di vista economico per chi le acquista perché sono adatte solo ad un uso sporadico e limitato, gli aspetti negativi diventano non trascurabili. CERDD, /6

4 Tanti rifiuti e per di più speciali: ricicliamoli! Come già descritto in precedenza nel nostro paese sono vendute annualmente 3'500 tonnellate di batterie. Queste sono di varie forme e dimensioni e servono ai più svariati usi. Vista la loro composizione, soprattutto poiché contengono anche sostanze inquinanti, è fondamentale riciclarle. Le batterie sono infatti considerate dei rifiuti speciali, dei rifiuti cioè che per le loro proprietà chimiche o fisiche non possono essere raccolti ed eliminati assieme ai rifiuti solidi urbani (quelli che vanno nel sacco dell indifferenziata). Grazie alle operazioni di riciclaggio, diversi materiali di cui sono composte le batterie possono essere riutilizzati sia per ridurre il consumo energetico e le emissioni di CO 2 derivanti dalla produzione di nuove batterie sia per evitare che le sostanze inquinanti, come i metalli pesanti quali zinco e piombo, finiscano nell ambiente inquinandolo. Per esempio, riciclare una tonnellata di batterie e accumulatori permette di evitare un inquinamento ambientale pari a quello provocato da 2'652 litri di olio da riscaldamento (Fonte: inobat.ch). In alcuni tipi di pile vi è inoltre ancora del mercurio, sostanza molto pericolosa. Anche se il suo contenuto è minimo se non smaltito correttamente può essere molto dannoso per l ambiente: un grammo di mercurio può infatti inquinare ben 1'000 litri d acqua! Per fortuna quasi tutte le attuali batterie usa e getta non lo contengono più e sono meno nocive per l ambiente. Tuttavia nonostante il riciclaggio di questi oggetti sia fondamentale, in Svizzera, così come nelle altre nazioni, non si riescono a raccogliere tutte le batterie vendute. A titolo d esempio, la quantità complessiva raccolta e riciclata nel 2014 ammontava al 71, 4%. Ma come funziona il riciclaggio? Il riciclaggio delle batterie è suddiviso in diversi passaggi. Si incomincia eliminando le impurità e dividendo le batterie per dimensioni e tipologia. Successivamente le batterie vengono triturate in piccoli pezzi in modo da poter separare i vari materiali di cui sono composte: pasta di batterie, materiali ferrosi, carta, plastica. In seguito la pasta di batterie viene lavata e uno speciale trattamento chimico permette di separare i metalli e di recuperare i vari elementi riutilizzabili. La natura preferisce le batterie ricaricabili Le batterie ricaricabili sono batterie fatte per essere ricaricate e quindi usate più volte. Ciò avviene grazie a degli appositi caricatori portatili che funzionano se collegati a una presa elettrica. I vantaggi derivanti dall uso di queste batterie sono molti sia ambientali, grazie alla produzione minore di rifiuti e al consumo più contenuto di sostanze pericolose, sia economici perché il loro uso prolungato riduce i costi rispetto al continuo acquisto di batterie usa e getta. Tuttavia, anche le batterie ricaricabili perdono efficacia con il tempo e l usura e devono quindi alla fine essere anche loro sostituite. CERDD, /6

5 3. Cosa fare in classe Pila a bicchieri Cosa occorre: 5 o 6 bicchieri riempiti con acqua e sale, 5 o 6 placchette di rame e di zinco, fili elettrici, una lampadina a LED. Collegare la lampadina con i fili e creare un circuito in questo modo: lampadina-filo-rame-bicchiere-zinco-filo-ramebicchiere-zinco- -ecc-filo-lampadina. Il LED dovrebbe accendersi! Pila a patate Proviamo a costruire una pila di Volta. Cosa occorre: patate a fette, placchette di rame e zinco, fili elettrici, LED. Con lo stesso principio descritto prima alternare placchette di rame e zinco intercalate dalle fette di patate. Chiudere il circuito con dei fili elettrici collegati alla lampadina. Esistono in commercio diversi orologi a patate (o a limoni) in alcune confezioni di giochi scientifici per bambini. Non costano molto ma sono istruttivi e divertenti da costruire. Il loro funzionamento è semplice, che si tratti di una patata, di una mela o altro la nostra pila casalinga funziona perché tra i pezzi di rame e di zinco si inserisce una sostanza che contiene dei sali in soluzione (come la patata o il limone). In effetti funzionano anche se si toccano contemporaneamente le due coppie di rame e zinco con le dita umide. Energy stick Come spiegato nella scheda, l Energy Stick è un simpatico gioco che ci permette di sperimentare i circuiti elettrici. Al suo interno si trovano delle pile e un circuito elettronico che sente quando i due anelli di metallo sono entrambi a contatto con un conduttore elettrico. Quando si chiude il circuito la corrente può passare e le lucine si accendono (è come se accendiamo un interruttore!), quando invece il circuito è aperto la corrente non può circolare e il gioco è spento. Da notare che stiamo parlando di minime quantità di corrente, non c è alcun pericolo! Per vedere chi o cosa conduce la corrente, possiamo inserire degli oggetti metallici o di altro materiale nel circuito e distinguere perciò i conduttori dagli isolanti. Ad esempio, una matita di legno conduce la corrente? E se tocchiamo solo la sua mina? Esistono diversi giocattoli in commercio che funzionano in questo modo semplicissimo: quando la corrente passa tra un metallo e l altro si accendono, altrimenti restano spenti. CERDD, /6

6 Per approfondire Parte scientifica PALLOTTINI, Giovanni Vittorio. Elettricità [voce enciclopedica online]. In : Treccani la cultura italiana. Data di pubblicazione Disponibile all indirizzo: (consultato il ) UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA. La pila di Volta [pagina web]. In : Non è magia è chimica. Data di pubblicazione Disponibile all indirizzo: (consultato il ) VOLTA, Alexander. On the Electricity Excited by the Mere Contact of Conducting Substances of Different Kinds. In a letter from Mr. Alexander Volta, F.R.S. Professor of Natural Philosophy in the University of Pavia, to the Rt. Hon. Sir Joseph Banks, Bart. K.B.P.R.S. [articolo elettronico]. In : Philosophical Transactions , p Disponibile all indirizzo: Articolo originale di Volta in francese. Parte ambientale AAVV. INOBAT.ch [sito web]. [s.d.]. Disponibile all indirizzo: CENTRO DI CULTURA SCIENTIFICA ALESSANDRO VOLTA. La pila [pagina web]. In : sito del museo Alessandro Volta. [s.d.]. Disponibile all indirizzo: GIORGI, Giovanni. Pila [voce enciclopedica online]. In : Treccani la cultura italiana. Data di pubblicazione Disponibile all indirizzo: PAROLINI, Giuditta. Alessandro Volta [voce enciclopedica online]. In : Treccani la cultura italiana. Data di pubblicazione Disponibile all indirizzo: CERDD, /6