Per esperimenti laboratorio: Per spiegazioni animate:

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1 Per esperimenti laboratorio: Per spiegazioni animate: 1

2 L energia elettrica è un movimento ordinato di cariche elettriche negative; un FLUSSO DI ELETTRONI (cariche negative dell atomo). Alcuni materiali, detti CONDUTTORI (metalli es :rame, argento), hanno un elevato numero di elettroni che possono muoversi liberamente all interno del conduttore, altri i cui elettroni non possono muoversi sono detti ISOLANTI (gomma, plastica) e normalmente utilizzati come materiale di rivestimento dei cavi che trasportano la corrente. 2

3 L elettrone di un atomo si sposta sull orbita dell atomo vicino solo quando in due punti opposti del conduttore esiste una diversa concentrazione di elettroni che prende il nome di DIFFERENZA DI POTENZIALE (ddp) o FORZA ELETTROMOTRICE (fem) ottenuta appunto tramite un GENERATORE DI CORRENTE, per esempio una PILA. Dal POLO NEGATIVO della pila gli elettroni percorrendo un conduttore giungono al POLO POSITIVO della stessa, spostandosi in un CIRCUITO CHIUSO. ddp Anche se per convenzione la corrente va dal polo POSITIVO + a quello NEGATIVO - 3

4 La corrente elettrica può essere paragonata ad un corso d acqua: INTENSITÀ: quantità d acqua che scorre in 1 minuto, litri/sec (nel circuito si misura in Ampere A) Pompa= Pila Strozzatura = Resistenza TENSIONE: altezza di caduta dell acqua (nel circuito si misura in Volt V) RESISTENZA: è data dall attrito dell acqua con il letto del fiume (nel circuito si misura in Ohm) Queste sono collegate tra loro dalla LEGGE di Ohm V = I x R 4

5 TENSIONE (ddp) VOLT V Si misura con il VOLTMETRO Tensione nelle case: 220 V Tensione nelle industrie: 380 V Si può alzare o abbassare con un TRASFORMATORE. V = I x R INTENSITÀ Ampere A, quantità di corrente che passa in 1 secondo in una sezione del circuito. Si misura con un AMPEROMETRO o GALVANOMETRO; racchiusi in un unico strumento ANALIZZATORE o TESTER Natura del materiale RESISTIVITÀ I V R RESISTENZA Ohm Ω La difficoltà che la corrente incontra a fluire attraverso un conduttore. A seconda del materiale, sezione e lunghezza del conduttore la R cambia SECONDA LEGGE DI Ohm R=ρ x l/s Lunghezza conduttore in metri Sezione, area del conduttore mm 2 S=r 2 x π 5

6 Il circuito elettrico è formato da tre elementi: GENERATORE È il componente che crea la ddp che stimolare gli elettroni a muoversi. SIMBOLO : Unità di misura: V VOLT CONDUTTORE Filo attraverso il quale circola la corrente SIMBOLO: Unità di misura: A AMPERE UTILIZZATORE L elemento che attraversato dalla corrente genera LUCE (lampadina) o CALORE (phon) o MOVIMENTO di ROTAZIONE (ventilatore o motori) Può comprendere anche un INTERRUTTORE, che se aperto impedisce il passaggio della corrente, mentre se chiuso, ne permette il passaggio. SIMBOLO: Unità di misura: R Ohm SIMBOLO: 6

7 La corrente per convenzione va dal polo POSITIVO + a quello NEGATIVO - Flusso corrente La pila può essere da: 1,5 volt - 4,5 volt - 9,0 volt Il conduttore oppone una diversa RESISTENZA (ohm) al passaggio della corrente a seconda del MATERIALE, LUNGHEZZA, SPESSORE. Calcolabile con la 2 LEGGE DI Ohm R=ρ x l/s La lampadina che devo usare nel circuito dovrà sopportare l intensità di corrente che passa. In un circuito si determina un aumento dell intensità di corrente quando aumenta la tensione e diminuisce la resistenza. V = I x R I = V/R V = I x ρ x l/s REGOLE INVERSE: R = V/I 7

8 SIMBOLO 1 Resistenza generica 2 Resistenze generica collegate in serie 2 Resistenze generica collegate in parallelo 1 lampadina Unità di misura : Ohm Ω 2 lampadine collegate in serie 2 lampadine collegate in parallelo 8

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10 RESISTENZE IN SERIE Le Resistenze sono poste l una dopo l altra e attraversate dalla STESSA corrente (I uguale per tutte le resistenze). La resistenza totale è data dalla SOMMA di tutte le resistenze. RT= R1+R2+R3+ Rn La TENSIONE V SI RIPARTISCE proporzionalmente alle Resistenze dei singoli elementi SVANTAGGIO: Se si rompe un UTILIZZATORE (es: si brucia una lampadina), si interrompe il circuito e gli altri utilizzatori non funzionano. V = I x (R1 + R2 + R3) 10

11 RESISTENZE IN PARALLELO Le Resistenze seguono vie diverse per poi ricongiungersi; vengono attraversate dalla STESSA TENSIONE, ma percorse da INTENSITA di corrente INVERSAMENTE proporzionale alla sua resistenza (si ripartisce); possiamo avere i seguenti casi: 1. N 2 Resistenze in parallelo VANTAGGIO: Se si rompe un UTILIZZATORE (es: si brucia una lampadina), NON si interrompe il circuito e gli altri utilizzatori funzionano. Vedi IMPIANTO DI ILLUMINAZIONE DOMESTICA. 2. N 3 o più Resistenze in parallelo 3. N qualsiasi di Resistenze in parallelo, aventi però lo stesso valore 11

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13 Questi generatori possono essere usati da soli oppure opportunamente collegati tra loro. Esistono 2 possibilità:. Serie. Parallelo COLLEGAMENTO pile IN SERIE (alta tensione - ridotta durata) Il polo POSITIVO della prima pila si collega con il polo NEGATIVO della seconda e così di seguito, la TENSIONE uscente al termine sarà quella di una pila moltiplicato per il numero delle pile. SIMBOLO : 1,5 Volt 4,5 Volt 9 Volt V = somma delle V delle singole pile I = Costante Vtot = V1 + V2 + V3 Vtot = 1,5V + 1,5 V + 1,5V Vtot = 4,5 volt 13

14 COLLEGAMENTO pile PARALLELO (bassa tensione - maggiore durata) Tutti i poli POSITIVI si collegano tra loro ottenendo una uscita e tutti i poli NEGATIVO tra loro ottenendo un altra uscita. La TENSIONE al termine del collegamento sarà uguale a quella di un unica pila ossia 1,5 volt; ma la durata dell erogazione di energia sarà uguale a quella di una moltiplicata per il numero. V = 1 singola pila Vtot = 1,5 Volt (che dura per 3) I tot = I1 + I2 + I3 Vtot = V1 = V2 = V3 14

15 Ci fornisce l idea di quanto CONSUMA un elettrodomestico P = I X V Dove: P potenza si esprime in Watt (W) I intensità di corrente si esprime in Ampere (A) V tensione si esprime in Volt (V) 1 Watt è la POTENZA di una corrente avente intensità di 1 A e la tensione di 1 V Prendi il PHON e leggi sull apparecchio la sua potenza in watt (es: 1800 w), poi prendi il tempo occorrente ad asciugarti i capelli (10 minuti), convertilo in ore (0,17 ore) e moltiplica i due dati (306 wh ossia 0,3 Kwh consumati). (lavoro compiuto nell unità di tempo). Per sapere l energia consumata, nel tempo da un Utilizzatore: P x t W x tempo di funzionamento Wh (wattora) Per comodità numerica si usa il multiplo: 1000Wh = 1 Kwh (chilowattora) Phon da 0,5 a 1,8 KW Computer 0,2 KW Ferro da stiro da 1,0 a 2,2 KW Frigorifero da 0,1 a 0,3 KW In ore Se espressa in secondi: Joule 1Vx 1Ax 1sec = J 1Wh=3600 J 1KWh= J 15

16 L'effetto Joule, è un effetto fisico che prende il nome dal fisico James Prescott Joule che lo osservò attorno al L'effetto joule è quel fenomeno per cui un CONDUTTORE attraversato da una corrente elettrica dissipa energia sotto forma di CALORE in quantità proporzionale all'intensità della corrente elettrica che lo attraversa. P = I 2 x R che esprime la prima legge di Joule, dove: P è la potenza dissipata misurata in Watt (W) I è la corrente che vi circola misurata in Ampere (A). R è la resistenza del circuito misurata in Ohm (Ω). Il fenomeno ha spesso implicazioni negative, poiché è causa di perdita di energia nelle linee di trasporto dell'elettricità ed in generale di qualsiasi circuito, nonché abbatte il RENDIMENTO delle macchine elettriche perché parte dell energia assorbita viene trasformata in CALORE. Ha però anche implicazioni positive in quanto è alla base del funzionamento di molti dispositivi elettrici tra cui: la LAMPADINA A INCANDESCENZA, INTERRUTTORE MAGNETOTERMICO, FORNO ELETTRICO, ASCIUGACAPELLI, ETC. Maggiore la tensione V maggiore deve essere la dimensione del filo altrimenti scalda. 16

17 DI CORRENTE CONTINUA SIMBOLO: Hanno un senso UNICO durante tutto il tempo dell erogazione gli elettroni circolano costantemente dal polo + al polo - PILA (generatore statico) Es: pila a secco per la torcia, la radiolina. ENERGIA CHIMICA ENERGIA ELETTRICA ACCUMULATORI (generatore statico) Es: batteria per avviamento del motore dell automobile ENERGIA CHIMICA ENERGIA ELETTRICA DINAMO (generatore dinamico) Es: filobus ENERGIA MECCANICA ENERGIA ELETTRICA Genera corrente in seguito ad una ROTAZIONE, sfrutta l INDUZIONE MAGNETICA. DI CORRENTE ALTERNATA SIMBOLO: La corrente circola a PERIODI ALTERNI dal polo + al polo - e viceversa da polo - al polo + ALTERNATORI ( generatore dinamico) Genera corrente in seguito ad una ROTAZIONE. È un ALTERNATORE anche quella che è chiamata erroneamente Dinamo della Bicicletta) ENERGIA MECCANICA ENERGIA ELETTRICA Il funzionamento si basa sullo sfruttamento dell INDUZIONE MAGNETICA, genera la corrente distribuita nelle nostre case. 17

18 Tutte le batterie contengono 2 elettrodi metallici, separati da una soluzione conduttrice chiamata elettrolita. Questa soluzione fa si che nei pressi di ciascun elettrodo avvenga una reazione chimica che genera una corrente elettrica. Le pile usate per le torce o per le radio sono chiamate PILE A SECCO (pila Leclanchè); contengono un bastoncino di CARBONE e un cilindro di ZINCO separati da una PASTA CONDUTTRICE. (Gli elettroni circolano dal polo + al polo - ) La reazione chimica ad un certo punto finisce, e la batteria non eroga più energia. Alcune pile sono RICARICABILI collegandole ad una presa della corrente elettrica che inverte la reazione chimica. Cappellotto di ottone (protezione) (elettrolita)

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21 Si scoprì che il passaggio della corrente in un filo conduttore generava attorno al filo un CAMPO MAGNETICO. ENERGIA MECCANICA ENERGIA ELETTRICA DINAMO (corrente continua) Realizzando le condizioni inverse si produceva ELETTRICITA. Se un conduttore elettrico viene posto in MOVIMENTO ROTATORIO tra i poli di un MAGNETE (CALAMITA), nel conduttore stesso si genera una corrente elettrica. Tenere conto che il generatore NON genera corrente in quanto questa è già presente, sotto forma di elettroni nei conduttori (bobina), esso provoca solo lo SPOSTAMENTO degli elettroni e quindi genera ENERGIA ELETTRICA. ALTERNATORE (corrente alternata) Nelle Centrali Elettriche il movimento è creato dalle TURBINE, nella bicicletta dal movimento della ruota. 21

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23 Al passaggio della corrente elettrica nei circuiti si producono dei FENOMENI che si possono classificare in: 1. TERMICO 2. LUMINOSO 3. MAGNETICO 4. CHIMICO 1. TERMICO Quando gli elettroni attraversano un conduttore incontrano una certa resistenza, per cui si sviluppa ATTRITO che si trasforma in CALORE ( en. Elettrica en. Termica vedi EFFETTO Joule). Questa quantità di calore che si sviluppa al passaggio della corrente è tanto grande quanto più sottile è lo spessore del filo e più grande è l intensità di corrente e il tempo in cui circola la corrente. L effetto termico viene sfruttato per costruire apparecchi elettroriscaldanti. 5. FISIOLOGICO 23

24 2. LUMINOSO È una conseguenza del FENOMENO TERMICO. Per esempio una lampadina ad incandescenza si illumina di una luce bianca perché il filamento di tungsteno si surriscalda (en termica) e diventa incandescente (en luminosa), ma non brucia (combustione), perché all interno della bolla di vetro non c è ossigeno (aria) ma argon (gas nobile che non reagisce). 3. MAGNETICO Intorno ai conduttori percorsi dalla corrente elettrica si manifestano azioni magnetiche (capacità di attrarre piccoli pezzi di metallo o deviare l ago delle bussole). Se il conduttore è avvolto a SPIRE successive prende il nome di SOLENOIDE o BOBINA; in esso il flusso magnetico aumenta con l aumentare del numero delle spire e della ddp (V). Le applicazioni sono molte: Campanello elettrico, ricevitore telefonico, telegrafo, elettrocalamita. 24

25 4. CHIMICO Alcuni liquidi sono detti ELETTROLITI, perché conducono bene la corrente (soluzioni acquose di Sali, acidi). In questi conduttori elettrolitici si hanno fenomeni di DISSOCIAZIONE DELLE MOLECOLE. Questi fenomeni Hanno dato vita all industria GALVANICA che consiste nel ricoprire oggetti metallici, resi conduttori, di uno strato di metallo diverso. Si ottengono così: La NICHELATURA, la ZINCATURA, la CROMATURA, l ARGENTATURA e la DORATURA. 5. FISIOLOGICO Il corpo umano è un conduttore che offre resistenza al passaggio della corrente; minore è la sua resistenza, maggiore è l'intensità della corrente che circola nell'organismo. Se prendiamo una scossa, la parte non ISOLANTE (es: sangue) di esso sviluppa CALORE e determina delle DISSOCIAZIONI CHIMICHE e degli CHOC NERVOSI che possono causare: dalle USTIONI all ARRESTO DELLA RESPIRAZIONE con PARALISI VITALE e quindi la MORTE. 25

26 EFFETTO TERMICO EFFETTO MAGNETICO EFFETTO LUMINOSO EFFETTO CHIMICO 26

27 Dalle centrali l elettricità viene trasmessa alle case per mezzo di una rete di cavi. Per essere trasmessa con minori perdite, deve avere un elevato voltaggio ( V); invece quando viene utilizzata, deve avere un voltaggio inferiore (casa 220 V - aziende 380V). Per aumentare e diminuire il voltaggio, si usano i TRASFORMATORI. TRASFORMATORI Sono costituiti da due avvolgimenti di filo separati, intorno a un nucleo di ferro. Quando la CORRENTE ALTERNATA circola nell avvolgimento primario, produce un campo magnetico alternato. Esso induce una corrente elettrica alternata nell avvolgimento secondario. 27

28 TRASFORMATORE ELEVATORE In un trasformatore elevatore, l avvolgimento secondario ha più spire di quello primario: questo aumenta il voltaggio quanto basta per la distribuzione. TRASFORMATORE RIDUTTORE In un trasformatore riduttore, l avvolgimento secondario ha meno avvolgimenti di quello primario, il che consente di diminuire il voltaggio a valori adeguati per l utilizzo domestico. 28

29 Estratto da: 29

30 LAMPADE AD INCADESCENZA LAMPADE A FLUORESCENZA Questo tipo di lampade sono erroneamente chiamate lampade al neon o tubi al neon, ma in realtà il funzionamento è dovuto alla presenza di vapori di mercurio e non al neon. L'emissione luminosa visibile è indiretta, ovvero non è emessa direttamente dal gas ionizzato ma da un materiale fluorescente (da cui il nome). Il filamento di tungsteno si surriscalda (en. termica T C) diventa incandescente ed emette luce bianca (en. luminosa). Questo perché all interno della bolla di vetro non c è ossigeno (aria) ma argon altrimenti brucerebbe (combustione). È costituita da un tubo di vetro, al cui interno è dapprima praticato il vuoto, poi introdotto un gas nobile (argon) ed una piccola quantità di mercurio liquido. La superficie interna del tubo è rivestita di un materiale fluorescente, dall'aspetto di una polvere bianca. Ai due estremi del tubo sono presenti due elettrodi. Gli elettroni in movimento tra i due elettrodi eccitano gli atomi di mercurio, che sono a loro volta sollecitati ad emettere radiazione ultravioletta. Il materiale fluorescente di cui è ricoperto il tubo, investito da tali radiazioni, emette luce visibile. 30

31 LAMPADE A BASSO CONSUMO (LFC a fluorescenza compatta) (OBBLIGATORIE dal 2011) Le lampadine a basso consumo rappresentano la versione compatta delle lampade a fluorescenza. Sono formate da uno o più tubi di vetro incurvati contenenti vapori di mercurio. All'estremità di ciascun tubo si trova un elettrodo. Quando la lampadina si accende, la corrente attraversa questi elettrodi provocando una scarica di gas; i vapori di mercurio emettono allora un raggio ultravioletto che viene trasformato in luce dalla polvere fluorescente che ricopre la parete interna del bulbo. Queste lampade costano di più di quelle tradizionali, ma consumano molta meno energia perché hanno migliori rendimenti luminosi. Una lampada da 20W illumina come una lampada tradizionale da 100W; consumando 1/5 31

32 LAMPADE ALOGENE Queste lampade emettono una luce molto bianca. Il gas contenuto è un gas ALOGENO (FLUORO, BROMO, IODIO). Funzionano a BASSA TENSIONE, quindi c è la necessità di farle precedere da un TRASFORMATORE ed emettono un ALTA intensità di corrente. Non sono economiche e consumano molto rispetto alle altre lampade viste. Le lampade fluorescenti contengono mercurio che è estremamente inquinante e molti componenti che possono invece essere riciclati. Dopo l'uso devono essere smaltite in maniera differenziata tra i materiali RAEE e non con il vetro. Per questo vanno obbligatoriamente consegnate al rivenditore o all'apposito centro di riciclaggio spesso presso le discariche comunali. 32

33 MATERIALE INCANDESCENZA FLUORESCENZA BASSO CONSUMO LFC TUNGSTENO ARGON MERCURIO ARGON MERCURIO ARGON TEMPERATURA ALTA BASSA BASSA RENDIMENTO 10% 35% 40% DURATA ORE ORE da a ORE COSTO circa 2 EURO Circa 5 EURO da 5 a 25 EURO EFFICIENZA LUMINOSA lumen/watt Alimentazione : Watt lumen/watt Alimentazione: Watt lumen/watt Alimentazione : 3-23 Watt COSTO MEDIO 1Kwh IN BOLLETTA : 0,17 EURO 33

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35 ESEMPIO: Asciugacapelli 1,8 kw Frigorifero 0,2 kw Lampade 0,2 kw Televisore 0,1 kw Lavatrice o forno 2,0 kw 4,3 kw Quando è in funzione la lavatrice o il forno elettrico non puoi asciugarti i capelli! 35

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37 Adottate dall UNIONE EUROPEA per un acquisto consapevole. In Italia sono state introdotte dal 1999 e attualmente OBBLIGATORIE per frigoriferi e congelatori, scaldabagno,lavatrici, forni elettrici, condizionatori e lampade a uso domestico. Indica il marchio del costruttore e il nome del modello di frigorifero, frigocongelatore o congelatore. Indica l efficienza energetica; è facoltativamente presente il simbolo Ecolabel. Come sapete, un frigorifero, frigocongelatore o congelatore di classe A consuma una quantità di energia elettrica di gran lunga minore rispetto a un frigorifero, frigocongelatore o congelatore di classe C. Le classi E, F e G sono ormai uscite di produzione. Indica il consumo di energia espresso in kilowattora (kwh) misurato sulle prove standard di laboratorio nell arco di 24 ore. Indica il volume degli alimenti freschi e il volume degli alimenti congelati, ovvero la capacità netta totale del vano frigorifero e del vano congelatore misurate in litri. Inoltre è indicato il codice a stelle che contraddistingue il vano congelatore. Indica la rumorosità del frigorifero, frigocongelatore o congelatore. Scegliete un modello poco rumoroso se il muro presso cui posizionerete l apparecchio confina con la zona notte: l avvio del compressore potrebbe disturbare il relax e il sonno. 37

38 Non sempre l elettricità si sposta. Esiste anche l ENERGIA STATICA, questa provoca le scariche dei fulmini e a volte fa crepitare alcuni indumenti quando ce li togliamo. STROFINANDOSI GLI UNI CONTRO GLI ALTRI, GLI OGGETTI POSSONO SVILUPPARE UNA CARICA POSITIVA O NEGATIVA. Lo strofinio stacca gli ELETTRONI dagli atomi (cariche negative), e l oggetto si carica POSITIVAMENTE, mentre l altro si carica negativamente perché gli elettroni liberati si spostano verso i suoi atomi. IMPIEGO DELL ELETTRICITÀ STATICA FOTOCOPIATRICI L originale viene illuminato da un lampo di luce, le parti chiare riflettono la luce e quelle scure la assorbono. All interno della macchina c è un tamburo carico di elettricità statica che viene investito dalla luce riflessa dall originale. Nel tamburo in corrispondenza delle zone chiare si annulla la carica mentre in quelle scure la carica rimane. Poi il tamburo, viene coperto di toner che aderisce solo alle zone cariche di elettricità statica. Infine viene messo a contatto con la carta bianca, a sua volta carica di elettricità statica e trasferisce l inchiostro sulla carta. Per approfondimento Generatore Van de Graaf Elettroscopio Vestito antistatico Esperimento del fulmine di Franklin 38