Guida agli esperimenti di elettricità.

Transcript

1 Guida agli esperimenti di elettricità. A cura del gruppo di ricerche didattiche del Dipartimento di Fisica dell'università di Genova. Hanno collaborato alla stesura della guida le seguenti persone M. De Paz A. C. Grasso M. Pilo G. Puppo Prima edizione: 1975 Riedizione a cura di M. De Paz: 2004

2 CAPIT0L0 1 ESPERIMENTI DI ELETTRICITÀ Tutti, al giorno d'oggi conoscono 1'importanza dell'elettricità. Pochi, tuttavia, conoscono sufficientemente il modo migliore di utilizzare l'elettricità e le più elementari norme di sicurezza per evitare pericolosi incidenti. Negli esperimenti che sono descritti in questa guida si cerca di spiegare come si comporti la corrente elettrica, che cosa sia il voltaggio e quali siano le altre quantità elettriche che hanno importanza nella normale utilizzazione della energia elettrica. Per evitare incidenti pericolosi, gli esperimenti qui descritti vengono fatti con pile invece che con l'energia elettrica domestica, ben nota per la sua pericolosità. In un secondo tempo, una volta capite le leggi che regolano l'uso dell'elettricità, ti sarà possibile anche usare con maggior sicurezza l'energia elettrica domestica per realizzare "circuiti"utilizzabili nella vita pratica (per esempio una lampada da tavolo, o la riparazione di un interruttore guasto). Ricordati sempre, però, di consultare prima il capitolo"norme DI SICUREZZA"contenuto in questa guida. La corrente elettrica nei circuiti Per familiarizzarti con la corrente elettrica e realizzare il tuo primo "circuito elettrico"puoi eseguire la seguente, facile esperienza: ESPERIMENTO N. 1.1 Occorrente: 1 pila da 4, 5 Volts 1 lampadina da 6 Volts e 0, 2 A 2 pinzette a coccodrillo Esecuzione: Libera i due"poli" + e- della pila tagliando o strappando l'involucro di protezione(fig. 1) raddrizza un poco i due poli (fig. 2) collega i fili della lampadina, ai due poli della pila fissandoli con le pinzette a coccodrillo come in fig. 3 Hai realizzato il tuo primo "circuito elettrico". Che cosa è successo?

3 Osserva bene la lampadina e cerca di spiegarti come ha fatto ad accendersi. 3 Confronta questa lampadina con una di quelle che usi abitualmente in casa tua. A parte le dimensioni, sono uguali o diverse? A casa tua, quando accendi una lampadina, il contatore della luce elettrica" incomincia a girare. Cosa pensi che succeda ora nel tuo circuito dove non c è il contatore? Che voltaggio ha la "corrente " di casa tua? Materiali conduttori. ed isolanti Osserva bene i fili della lampadina. Di che materiale sono? Prova a ripetere l' esperimento n 1.1 prolungando questi fili con altri fili o pezzi di altro materiale, ad esempio gomma, carta, spago, legno. ferro, plastica, rame, carbone, acqua, acqua e sale, ecc. In alcuni casi la lampadina non si accenderà. In altri, invece, si accenderà. Chiameremo isolanti i materiali che non lasciano passare la "corrente" e conduttori quelli che invece la lasciano passare. Vediamo ora ai cercare di capire qualcosa di più sulla corrente elettrica e sul voltaggio. Che cosa pensi che siano? Discutine con i tuoi compagni e con 1'insegnante. Avrai comunque capito che quando "chiudi il circuito" cioè colleghi la lampadina con la pila, c'e qualcosa che corre dentro il circuito provocando l accensione della lampadina. In modo del tutto analogo l'acqua corrente di un fiume mette in moto un mulino o una turbina. Nelle esperienze che faremo in seguito ci occuperemo di capire i diversi modi di collegare più pile e più lampadine nei circuiti simili a quelli che ci sono nelle abitazioni. Modello di un impianto di illuminazione casalinga Nel tuo appartamento avrai osservato che dal contatore partono due fili di alimentazione che, a parte le dimensioni e la pericolosità (non toccarli!), sono simili ai due poli della pila che hai usato finora. C è una differenza importante: il voltaggio tra questi due fili è 220 Volts anziché 4,5 Volts (e questo li rende pericolosi). A parte il voltaggio, i circuiti che fanno accendere le lampadine di casa non sono diversi dal semplice circuito dell'esperimento n. 1. I due fili di alimentazione sono molto più spessi e finiscono però con l'accendere anche molte lampadine contemporaneamente. Possiamo realizzare qualcosa di simile con la pila e due o tre lampadine del pacchetto? Come pensi di collegare le lampadine alla pila? Per aiutarti, tieni presente che i collegamenti possibili sono di due tipi: in serie(fig. 4) dove le lampadine sono collegate una di seguito all'altra come bambini che si tengono per mano e camminano affiancati; in parallelo(fig. 5) cioè le lampadine sono collegate in fila come bambini che marciano facendo il trenino

4 4 N. B. -Per semplificare i disegni, il circuito dell'esperimento n. 1 si può rappresentare come in fig. 6, cioè utilizzando dei simboli che ci abitueremo ad usare anche in seguito Usando gli stessi simboli, i collegamenti in serie e in parallelo si rappresentano come in fig. 7a, b ESPERIMENTO N 1.2 Prova a realizzare i circuiti di fig.8a e 8b ed osserva quello che accade. In quale dei due circuiti ottieni più luce? Quale circuito contiene le lampadine collegate in serie e quale in parallelo? Quale dei due assomiglia di più all'impianto di illuminazione domestica? In quale dei due circuiti che hai fatto poco fa, secondo te, la pila si scarica più rapidamente? In quale circola più corrente? Al crescere della luminosità la corrente cresce o diminuisce? Come realizzeresti nel tuo.circuito modello gli interruttori che si usano nelle case? (L'interruttore si indica col simbolo di fig. 9. ) In casa tua, se accendi due lampadine il contatore gira di più o di meno? Consumi più corrente o meno? Giustifica le tue risposte e prova a stabilire una relazione fra la luce delle lampadine e la corrente che vi circola dentro. Cerca di chiarire anche che cosa succede alla corrente nei circuiti di fig.8a e 8b. Cerchiamo di guardare i circuiti finora fatti in un altro modo; la pila fornisce l'energia elettrica e le lampadine si oppongono al passaggio della corrente,cioè offrono una certa resistenza elettrica. In modo del tutto analogo il recipiente dell'acqua che si trova sul tetto di una casa fornisce l'acqua corrente attraverso le tubature che la convogliano agli appartamenti. Ad uno stesso piano del palazzo più piccoli e più lunghi sono i tubi e meno facilmente scorre l'acqua. Aprendo completamente il rubinetto (che equivale a chiudere il circuito con l'interruttore) la quantità' d'acqua corrente che si può usare in un certo tempo dipende dalla resistenza dei tubi al passaggio dell'acqua, cioè dal loro diametro e dalla loro lunghezza. Se in un appartamento si vuole più acqua corrente bisogna diminuire la resistenza dei tubi. In un circuito elettrico per ottenere più corrente bisogna diminuire la resistenza elettrica. Nei circuiti elettrici che hai costruito finora ti pare che due lampadine in serie offrano maggiore o minore resistenza di due lampadine in parallelo? Circuiti con più pile e più lampadine ESPERIMENTO N. 1.3 Finora ci siamo solo occupati dei possibili collegamenti di due o più lampadine utilizzando una sola pila. Se hai più di una pila a disposizione (per esempio utilizzando quelle dei tuo compagni) prova a collegarle tra di loro per accendere una o più lampadine. Realizza, per esempio, i quattro circuiti di fig.9a, 9b, 9c, 9d e confrontane la luminosità.

5 5 Prova a rispondere alle seguenti domande: -Quali circuiti danno luogo ad ugual luminosità della lampadina? - In quale circuito circola più corrente? - In quale ne circola meno? Nei circuiti 9b, 9c e 9d hai usato due pile. Che differenza trovi fra questi due circuiti? Come nel caso delle lampadine, chiameremo in serie due o più pile collegate di seguito. Ciò accade nei circuiti 9b e 9c con una diversa successione dei poli (+-+- in 9b),(-++- in 9c). Si dice che sono in parallelo due o più pile in fila una all'altra con i poli di segno uguale collegati tra loro. Un esempio di collegamento in parallelo lo hai nel circuito 9d. Come mai nel circuito 9c la lampadina non si accende? Nel circuito 9c hai messo le pile in serie opposte (+--+)e la lampadina non si è accesa. Un modo di spiegare questo fatto è di ammettere che in un circuito hai sottratto il voltaggio delle due pile 4, 5 Volt - 4, 5 volt = 0 volt Per convincerti di ciò realizza i circuiti 10 a, b e confronta la luminosità delle lampadine. Se la luminosità è praticamente identica nei due circuiti l'effetto delle pile 1+2 di fig. 10 b, collegate fra loro in serie opposta, deve essere zero, cioè deve rimanere solo il voltaggio della pila 3 Pila 1 + pila 2 +pila 3 = 4, 5 volt Invece avrai notato che il circuito 9b (collegamento in serie +-+-) produce più luce di tutti gli altri circuiti, cioè si sommano gli effetti di due pile. La corrente nella lampadina è aumentata. Se connettessimo molte pile in serie come nel circuito 9b potremmo addirittura accendere una lampadina di quelle che usi in casa tua, che funziona ad un voltaggio molto più alto. Mettendo le pile in serie (+-+- ecc) hai sommato il loro voltaggio: una pila = 4, 5 Volt due pile = 9, 0 Volt tre pile = 13, 5 Volt Nel circuito 9b (2 pile + 1 lampadina) tuttavia non si riesce a capire se la corrente che circola nella lampadina è esattamente il doppio di quella che circola per esempio nel circuito 9a (una pila e una lampadina). Questo perché non abbiamo nessuno strumento che misuri la luminosità della lampadina e non sappiamo neppure con precisione come questa luminosità dipende dalla corrente, mentre il nostro occhio è in grado di giudicare con buona precisione se due lampadine abbiano uguali luminosità. Per ricavare la relazione fra il voltaggio delle pile, la corrente e la resistenza del circuito bisogna perciò fare in modo da poter confrontare le luminosità uguali di due lampadine messe in circuiti diversi: a questo scopo forma un gruppo con alcuni tuoi compagni ed insieme fate il seguente esperimento. ESPERIMENTO N. 1.4 (da farsi con sei pile e sei lampadine) Realizzate contemporaneamente i circuiti 11 a, b, c e confrontate la luminosità delle lampadine.

6 6 Si deve ora completare la tabella sottostante. La luminosità della lampadina nel circuito 11 a viene fissata per convenzione al valore 1. Quanto vale la luminosità delle singole lampadine negli altri due circuiti? Sistemate il risultato della misura a occhio dell intensità di una sola lampadina nella tabella: Da quanto abbiamo visto, 2 lampadine offrono una resistenza doppia di 1 lampadina e due pile in serie ( ) producono un voltaggio pari al doppio di una sola pila. Inoltre la luminosità dipende dalla corrente che circola nella lampadina. Possiamo quindi mettere il voltaggio (simbolo V) al posto del numero di pile, la resistenza (simbolo R) al posto del numero di lampadine e la corrente (simbolo I) al posto della luminosità. Circuito N Numero di pile in serie V 11a 11b 11c Numero di lampadine in serie R Intensità di una lampadina I 1 Che relazioni fra V, R e I suggerisce la tabella numerica che avete ottenuto? Provate a verificare quali fra le seguenti relazioni sono in accordo con la tabella: I) VxR = I II) VxI = R III) IxR = V IV) V-R+1 = I Riguardo alla formula IV ti pare corretto sottrarre resistenza da voltaggi? Puoi sottrarre mele da pere? Discuti questo punto con 1'insegnante e con i tuoi compagni. Esamina ora le altre due formule che hai trovato in accordo con la tabella dell'esperimento. Confronta il loro significato con gli esperimenti che hai fatto prima, per esempio con il risultato del circuito 9b, esperimento n. 3: due pile in serie ( ) = Voltaggio doppio rispetto al circuito 9a. Resistenza uguale a quella del circuito 9a Intensità di corrente maggiore che nel circuito 9a. Quale delle due formule è in accordo con queste osservazioni? Resistenza elettrica dei fili conduttori Finora abbiamo considerate come resistenza nei circuiti la lampadina. Avrai notato che nelle lampadine la resistenza alla corrente si verifica principalmente in quel pezzettino di filo che si vede entro il bulbo di vetro e che quando è attraversato dalla corrente si scalda e diventa incandescente. Anche i fili di rame che si usano per fare i circuiti di casa tua e che servono per accendere le lampadine hanno una certa resistenza elettrica. Fili di altro materiale (per esempio un filo di nichelcromo o di kantal) offrono ancora maggiore resistenza. Come hai visto precedentemente altri fili non conducono addirittura la corrente. Per accertarti di questo fatto realizza il circuito di fig. 12 utilizzando un pezzo di filo resistivo. Prova a variare la lunghezza del filo ed osserva cosa succede. Se invece del kantal usi un pezzo di filo di rame delle stesse dimensioni cosa osservi? E se usi tutta la matassina di filo di rame?