Didattica delle scienze (FIS/01)

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1 Facoltà di Studi Classici, Linguistici e della Formazione SCIENZE DELLA FORMAZIONE PRIMARIA (LM-85 bis) Lucia Quattrocchi Didattica delle scienze (FIS/01)

2 L Elettricità La parola elettricità deriva da elektron, termine con il quale gli antichi greci chiamavano una resina naturale, l ambra la quale se strofinata con un panno attirava a se i corpi leggeri: foglie, piume Se si strofina con un panno di lana un pezzo di plastica, questo diviene capace di attirare dei piccoli pezzi di carta ovvero di esercitare delle forze. Tale fenomeno è detto elettrizzazione per strofinio (dal nome greco antico elektron) e le forze che si manifestano sono dette forze elettriche

3 Elettrizzazione per strofinio Cosa succede se due corpi sono entrambi elettrizzati? Strofiniamo una sferetta di vetro su lana ottenendo una elettrizzazione di tipo A e strofiniamo una sferetta di ebanite su lana ottenendo una elettrizzazione di tipo B. Per convenzione l elettrizzazione di tipo A è detta positiva (+) ed associata ad una carica positiva, l elettrizzazione di tipo B è detta negativa (-) ed associata ad una carica negativa, intendendo la carica una nuova proprietà della materia. Si può quindi affermare che cariche dello stesso segno si respingono, cariche opposte si attraggono. L elettrizzazione è quindi un fenomeno (o anche un processo) che conduce ad una sovrabbondanza di cariche di uno stesso segno nel corpo precedentemente neutro.

4 La struttura dell atomo Con la scoperta della prima particella subatomica, l'elettrone (Thomson, 1897), fu definitivamente stabilito che l'atomo non è indivisibile, come ipotizzato da Dalton, ma possiede una struttura. Al centro c è il nucleo formato da protoni e neutroni ben legati tra di loro; lontano dal nucleo si trovano gli elettroni. PROTONI particelle con carica elettrica positiva e massa 2000 volte quella dell elettrone ELETTRONI particelle con carica elettrica negativa NEUTRONI particelle senza carica elettrica e massa uguale a quella del protone

5 Com è fatto l atomo Modello Planetario Protoni e neutroni costituiscono la parte centrale dell atomo, il NUCLEO, che contiene la maggior parte della materia dell atomo Gli elettroni ruotano a grande distanza dal nucleo, come i pianeti intorno al Sole Dimensioni del nucleo

6 Proprietà dell atomo In condizioni normali la somma delle cariche elettriche degli elettroni compensa la carica positiva del nucleo per cui la carica totale dell atomo è zero, l atomo risulta elettricamente neutro. Tuttavia gli elettroni più esterni possono passare da un atomo all altro dello stesso elemento o di elementi diversi (es. legame ionico e covalente) Atomo di Elio He-2 protoni, 2 neutroni e 2 elettroni Atomo di Litio Li-3 protoni, 4 neutroni e 3 elettroni L'unità di misura della carica nel S.I. è il Coulomb e si indica con C L Elettrone ha carica e = 1, C e massa m e = 9, kg Il Protone ha carica e = + 1, C e massa m p = 1, kg Il Neutrone è privo di carica ed ha una massa m n = 1, kg

7 Elettrizzazione per strofinio Bacchetta di plastica: gli elettroni del panno di lana vengono catturati dagli atomi della plastica. La bacchetta di plastica presenta ora sulla parte strofinata un eccesso di cariche negative: si è elettrizzata. Contemporaneamente il panno ha ceduto elettroni, ed ha acquisito una carica elettrica positiva. Bacchetta di vetro: il suo comportamento è esattamente l opposto della bacchetta di plastica. Bacchetta di vetro Bacchetta di plastica

8 Conduttori e isolanti Tutte le sostanze si possono elettrizzare per strofinio? Se proviamo ad elettrizzare per strofinio una barra di metallo, tenendola in mano, essa non attira pezzi di carta. Se però la barra di metallo viene tenuta in mano mediante un manico di legno, l elettrizzazione si verifica Perché? Esperimenti di questo tipo permettono di distinguere i materiali in due categorie: Materiali Isolanti (vetro ebanite..) la carica elettrica rimane localizzata nella zona in cui è stata prodotta, le cariche non possono muoversi nel corpo. Negli isolanti gli elettroni sono legati al nucleo da cui non riescono a staccarsi o se ne staccano in numero molto limitato. Materiali Conduttori (metallo) la carica elettrica prodotta o fornita in un punto può muoversi liberamente in tutto il corpo. Allora si distribuisce su tutta la superficie perché le cariche dello stesso segno respingendosi si portano il più lontano possibile. il nostro corpo è un conduttore; questo fa si che se cerchiamo di elettrizzare per strofinio un asticella di metallo tenendola direttamente con una mano non si osserva l elettrizzazione. La carica dell asticella si scarica attraverso il nostro corpo.

9 Elettrizzazione per contatto Un altro metodo per elettrizzare un corpo neutro, è porlo a contatto con un corpo carico. Prendiamo un corpo carico e avviciniamolo ad un altro elettricamente neutro fino a farli toccare Noteremo che una parte delle cariche elettriche passa dal corpo carico al corpo neutro che si caricherà del stesso segno del corpo già caricato Elettrizzazione per induzione Avviene quando un corpo carico viene posto vicino ad un conduttore. In questo caso le cariche che si trovano su di esso si ridistribuiscono. Le cariche di segno opposto a quelle del corpo inducente sono da esso attirate, le altre allontanate.

10 CONDUTTORI: si elettrizzano solo per contatto/induzione ma non per strofinio [METALLI] ISOLANTI: si elettrizzano solo per strofinio ma non per induzione/contatto [vetro e plastica] Elettroscopio L'elettroscopio è uno strumento che permette di riconoscere se un corpo è carico elettricamente. Esso è costituito da un pomello metallico collegato, tramite un'asta metallica, a due sottili lamine metalliche chiamate foglioline. Queste ultime sono racchiuse in un recipiente di vetro per evitare il disturbo da parte di correnti d'aria. Avvicinando al pomello metallico, senza toccarlo, un corpo caricato elettricamente, ad esempio una bacchetta di plastica strofinata con un panno di lana, si vedranno le due lamine divergere

11 Forza elettrostatica Legge di Coulomb Abbiamo detto che fra due cariche stesso segno si ha una FORZA REPULSIVA e fra cariche di segno opposto una forza ATTRATTIVA Coulomb determinò la legge che esprime la forza elettrica tra due cariche in funzione della distanza e della grandezza delle cariche. Se poniamo in vicinanza due cariche puntiformi q e Q posti ad una certa distanza r, si attraggono o si respingono con una forza F il cui modulo dipende dal prodotto delle stesse cariche ed inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza: Costante dielettrica nel vuoto

12 Costante dielettrica 0 COSTANTE DIELETTRICA DEL VUOTO Se non ho il vuoto? La forza risulta SCHERMATA quindi è minore r F F vuoto mezzo Costante dielettrica relativa: mi dice di quanto è più intensa la forza nel vuoto rispetto a quella risentita nel mezzo q +F F 1 + r q 2 vuoto q 1 +F + + F q 2 materia Forza di Coulomb in presenza di un mezzo con costante dielettrica relativa r F m k0 r q q r 1 2 2

13 Costante dielettrica Dielettrico r Aria (a 1 atm) 1,00059 Idrogeno (a 1 atm) 1,00026 Alcool 25 Acqua 80 Petrolio 2,1 Glicerina 42,5 Ebanite 2 Vetro 5 10 Plexiglas 3,40 Paraffina 2,1

14 Corrente elettrica La corrente elettrica è determinata da cariche elettriche (elettroni) in movimento. La corrente elettrica è per molti versi simile a un liquido che attraversa un condotto idraulico. La differenza di livello esistente fra due serbatoi genera una flusso del liquido nel momento in cui li colleghiamo tramite una conduttura. Questo flusso tende ad annullare nel tempo il dislivello iniziale, finché il liquido non scorre più raggiunte le condizioni di equilibrio Per mantenere la corrente del liquido, occorre che sia ripristinato il dislivello, compito svolto da una pompa idraulica. La pompa toglie l'acqua dove il livello è basso e la trasporta dove il livello è alto, mantenendo costante il dislivello che causa il flusso del liquido

15 Corrente elettrica Così come la differenza di livello tra due liquidi è in grado di creare una corrente del liquido, è necessaria una differenza di potenziale elettrico per far muovere le cariche. In modo simile, la differenza di potenziale elettrico (o tensione) genera una corrente elettrica. Man mano che fluisce, la corrente tende ad annullare la differenza di potenziale iniziale, a meno che non intervenga un componente con compito analogo a quello della pompa idraulica. Tale compito è svolto da un generatore di tensione elettrico, un dispositivo che consente di mantenere ai suoi capi una differenza di potenziale costante e quindi un flusso di corrente all interno del circuito Si chiama generatore ideale di tensione continua un dispositivo capace di mantenere ai suoi capi una differenza di potenziale costante, per un tempo indeterminato e qualunque sia la corrente da cui è attraversato Un generatore di tensione continua, come la pila, ha la stessa funzione della pompa: Gli elettroni si spostano naturalmente dal polo in cui sono presenti in maggiore quantità (-), a quello in cui ve ne sono meno (+). Il generatore provvede poi a riportarli dal polo positivo a quello negativo, in modo che possano rifare il giro del circuito

16 La pila di Volta Se prendiamo una lastrina di rame ed una di zinco e le mettiamo a contatto, tra i due metalli si crea una differenza di potenziale di 0,78V. Per utilizzare tale tensione dobbiamo però mettere tra le due piastrine un feltro imbevuto di acqua ed acido solforico e collegarle con un filo metallico. Allora nel conduttore si avrà un regolare flusso di elettroni (corrente elettrica) di 1,08V a causa delle reazioni chimiche innescate dall'acido solforico. L'apparecchio di Volta era formato da una serie di dischi, di rame, zinco e feltro, disposti l'uno sull'altro in modo da formare una pila (colonna). In tal modo, collegando con un filo metallico l ultima piastra di rame con la prima di zinco si origina un flusso di elettroni che dallo zinco (polo negativo) si dirige verso il rame (polo positivo) e la tensione è pari alla somma delle singole tensioni di ogni coppia di lamine metalliche.

17 Grandezze della Corrente elettrica Intensità di corrente Tensione o differenza di potenziale Resistenza Grandezza scalare che misura la quantità di carica elettrica che attraversa la sezione di un conduttore entro un'unità di tempo. Si misura in ampere (A). Q i t è il dislivello elettrico a cui vengono mantenuti gli elettroni e si misura in volt (V). Questo dislivello è creato dal generatore. Potenza (watt): si calcola moltiplicando l intensità della corrente che attraversa il filamento per la tensione alla quale è sottoposta. P=IxV Energia (wattora): l energia consumata da un apparecchio è misurata dalla sua potenza moltiplicata per il tempo di funzionamento (ore). E la capacità di un conduttore di opporsi al passaggio di corrente è dovuta all attrito tra gli elettroni e gli atomi del reticolo cristallino del conduttore

18 Prima legge di Ohm La prima legge di Ohm afferma che l intensità della corrente (i) in un conduttore è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale (ΔV) applicata ai due capi del conduttore e inversamente proporzionale alla resistenza (R) del conduttore: i V R V la resistenza R, la cui unità di misura é l'ohm (simbolo ), é tanto maggiore quanto più lungo é il conduttore e quanto minore é la sua sezione. Ri Se lasciamo invariata la resistenza elettrica R e raddoppiamo la differenza di potenziale (mettendo ad esempio due pile identiche in serie), verificheremo che sarà raddoppiata anche la corrente che attraversa il circuito (figura B).

19 Potenza dissipata effetto Joule Si chiama potenza dissipata dal resistore la rapidità con cui l energia elettrica è trasformata in calore.

20 Fenomeni Magnetici La magnetite è un magnete naturale. I materiali che hanno la capacità di attirare oggetti ferrosi vengono chiamati magneti. Vi sono anche magneti artificiali che se sottoposti ad una serie di trattamenti acquistano, per un periodo più o meno lungo, proprietà magnetiche. Se avviciniamo un magnete ad un certa quantità di limatura di ferro, si può osservare che essa viene attirata dal magnete, concentrandosi intorno ai poli dove la forza di attrazione è più intensa.

21 Interazione magnetica tra polarità È facilmente verificabile che le due polarità opposte chiamate per convenzione nord-sud, si comportano in modo che polarità opposte si attraggono mentre stesse polarità si respingono.

22 I poli magnetici isolati non esistono Se si divide in due parti un magnete, tentando di separarne i due poli, si ottengono due magneti del tutto simili (ciascuno con una coppia di poli opposti). I monopoli magnetici liberi, a tutt'oggi, non sono mai stati osservati sperimentalmente

23 Campo magnetico Un magnete modifica lo spazio circostante generando un campo magnetico Campo magnetico terrestre Un ago strofinato con metallo e poi sospeso, ha la proprietà di allinearsi sempre secondo la stessa direzione (bussola). La Terra si comporta come una grande calamita o MAGNETE. L ago si allinea secondo la direzione NS. Il «magnete» terrestre ha due poli, la cui posizione non coincide con quella dei poli geografici, pur essendo abbastanza vicina ad essa. Il polo nord magnetico si localizza nella regione artica dell'america Settentrionale (isola Bathurst, a circa 1500 km dal polo Nord geografico), mentre il polo Sud magnetico si trova nel continente antartico, ad analoga distanza dal polo Sud geografico.

24 Fenomeni elettrici e magnetici Esperienza di Oersted Fino agli inizi del XIX secolo i fenomeni legati all'elettricità ed al magnetismo furono considerati indipendenti e di conseguenza studiati e analizzati separatamente. Nel 1820 una esperienza storica segnò la data di nascita dell'elettromagnetismo, una teoria unificata che dimostra come i fenomeni elettrici e magnetici siano indissolubilmente collegati. Oersted scoprì casualmente che nelle vicinanze di un filo percorso da corrente l ago di una bussola si orienta perpendicolarmente al filo stesso

25 Fenomeni elettrici e magnetici Esperienza di Faraday Faraday, dopo aver ripetuto questo esperimento, scoprì che un filo percorso da corrente, oltre a influenzare un ago magnetizzato, può a sua volta essere influenzato da una calamita Faraday stabilì con un semplice esperimento che un campo magnetico genera una forza anche nei confronti di conduttori attraversati da corrente elettrica.

26 Fenomeni elettrici e magnetici Esperienza di Ampere Ampère ipotizzò che tutti i fenomeni magnetici fossero dovuti a correnti elettriche. Egli capì che se un conduttore attraversato da corrente elettrica genera un campo magnetico, le forze di questo campo magnetico influenzeranno anche il conduttore stesso. Il magnetismo naturale delle calamite poteva essere spiegato da correnti microscopiche circolanti in essi

27 Intensità del campo magnetico L intensità del campo magnetico è, per definizione, il rapporto tra la forza agente sul filo e il prodotto di lunghezza per intensità di corrente B F magn i l F magn Bil Il tesla (simbolo T) è un'unità di misura derivata del sistema internazionale (SI). Se un filo è lungo un metro, vi circola una corrente di un Ampère, e risulta soggetto ad una forza di un Newton, allora il campo magnetico in cui è immerso ha intensità un Tesla

28 Forza magnetica I motori elettrici usano la forza magnetica esercitata su un conduttore per compiere lavoro. Cambiando il senso della corrente ogni mezzo giro, la coppia di forze magnetiche mantiene la spira in rotazione.

29 Solenoide Un solenoide o bobina - dal greco (solen): tubo, condotto, canale - è un avvolgimento solitamente di forma cilindrica formata da una serie di spire circolari molto vicine fra loro e realizzate con un unico filo di materiale conduttore. Facendo passare una corrente elettrica di intensità i nel filo, si viene a creare un campo magnetico dentro e fuori il solenoide direttamente proporzionale al numero totale delle spire, all'intensità di corrente ed inversamente proporzionale alla lunghezza del solenoide. B sol i 0 l N L lunghezza totale i intensità di corrente 0 permeabilità magnetica nel vuoto N / A o 2

30 Un elettromagnete è costituito da una bobina di filo conduttore che agisce come un magnete quando una corrente elettrica passa attraverso di essa, ma che smette di essere una calamita quando la corrente si ferma. Spesso un elettromagnete è avvolto attorno ad un nucleo di materiale ferromagnetico (per esempio l'acciaio) per aumentare il campo magnetico prodotto dalla bobina. Elettromagnete

31 Permeabilità magnetica relativa La permeabilità magnetica relativa r è un indicatore di quanto un mezzo si lascia attraversare da un campo magnetico esterno. La materia può essere suddivisa in tre categorie in base al suo comportamento rispetto al campo magnetico e quindi in base al valore di r. Diamagnetiche La loro permeabilità magnetica è costante e leggermente minore di 1. Nelle sostanze diamagnetiche, come il rame o l'argento, il campo magnetico all'interno del solenoide diventa leggermente inferiore rispetto al caso del vuoto. Paramagnetiche La loro permeabilità magnetica è costante e leggermente maggiore di 1. Nelle sostanze paramagnetiche, come il ferro dolce, alluminio o il platino, si osserva un leggero aumento del campo magnetico all'interno del solenoide; Ferromagnetiche La loro permeabilità magnetica è maggiore di 1. Il campo magnetico B all'interno del solenoide può arrivare a essere migliaia di volte maggiore del campo magnetico nel vuoto.

32 Le sostanze ferromagnetiche una volta che si magnetizzano tale magnetizzazione persiste anche se le si estrae dal campo. Esiste una magnetizzazione residua grazie alla quale un materiale ferromagnetico può diventare un magnete permanente! Magnete permanente I magneti permanenti non tornano nella condizione normale quando si toglie corrente alla bobina che li avvolge e quindi non si possono spegnere a comando.

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