Corrente elettrica e circuiti elettrici

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1 La corrente elettrica Come già detto nell'atomo i protoni hanno una carica elettrica di segno positivo e gli elettroni di segno negativo. Questi ultimi inoltre non sfuggono alle loro orbite ellittiche a causa dell'attrazione su di essi esercitata dai protoni, che essendo in numero pari a quello degli elettroni fanno si che l'atomo, in condizioni normali, sia in equilibrio elettrico. L elettricità quindi non é altro che la colla che tiene insieme l atomo e poiché tutta la materia esistente é composta di atomi tutti i corpi dell Universo possiedono elettricità. Tuttavia ogni atomo si presenta elettricamente neutro, poiché il numero dei protoni (+) è uguale al numero del elettroni (-). Un atomo di rame è costituito da un nucleo contenente 29 protoni (+) e 29 neutroni (=), circondato da un guscio di 29 elettroni (-). Nel suo insieme l atomo è neutro. Esistono comunque vari tipi di elettricità: la statica, cioè quella concentrata sulla superficie dei corpi sottoposti a strofinio, la dinamica, cioè quella che attraversa i corpi ed in particolare i conduttori elettrici, e la vibrante, cioè quella che, mediante rapide vibrazioni di speciali conduttori, produce onde elettromagnetiche che si propagano nello spazio. La corrente elettrica Come dice la parola stessa, corrente e' qualcosa che scorre, che fluisce. La corrente elettrica e' un movimento continuo di cariche elettriche elementari, cioè un flusso ordinato di elettroni, che ha luogo all'interno di alcuni materiali. I materiali, proprio perchè permettono agli elettroni liberi di spostarsi da un atomo ad un altro e alle cariche di distribuirsi lungo tutto il corpo e alla corrente di attraversarli, vengono definiti conduttori. Altri materiali, attraverso i quali la corrente non riesce a passare perché gli elettroni si muovono con lentezza e di conseguenza le cariche tendono a rimanere localizzate dove sono state prodotte, vengono definiti isolanti. etroina 1

2 I materiali possono essere così suddivisi: buoni conduttori sono i metalli (ad esempio il rame, l'argento e l'alluminio, che vengono usati per costruire i cavi elettrici), i gas ionizzati (come quelli presenti all interno dei tubi fluorescenti), le soluzioni elettrolitiche (acqua e sale) ed i tessuti organici, vale a dire il nostro corpo (purtroppo anche noi siamo dei conduttori!); conduttori meno buoni, isolanti deboli sono il legno e la carta; buoni isolanti come le ceramiche, il vetro, il marmo, la porcellana; isolanti buonissimi come l ambra, la gomma. Da cosa dipende il diverso comportamento delle cariche nei conduttori e negli isolanti? Le cariche elettriche non presentano sempre una distribuzione uniforme: negli isolanti sono generalmente distribuite sia sulla superficie sia all interno, nei conduttori si distribuiscono tutte sulla superficie esterna. Se un conduttore è cavo, le cariche si distribuiscono tutte sulla superficie esterna. Se la superficie esterna di un conduttore è regolare, esse si distribuiscono in modo uniforme; se la forma è irregolare, si addensano soprattutto sugli spigoli e sulle punte. Prima di rispondere, cerca e sottolinea nel testo le frasi utili. Che cos è un conduttore? Che cos è un isolante? Come si distribuiscono le cariche in un conduttore cavo? E in un conduttore a punta? I fenomeni di cui ci siamo occupati finora riguardano cariche elettriche che rimangono pressoché ferme sulla superficie di un corpo. Cerchiamo ora di capire le cariche in movimento e per comprendere la differenza tra elettricità e corrente elettrica immaginiamo di ingrandire fortemente un filo di rame, per vedere, in modo schematico, cosa accade al suo interno. Il filo di rame è formato dai nuclei degli atomi (pallini bianchi), ognuno dei quali va immaginato con il suo guscio di 28 elettroni + 1 elettrone libero. Per semplicità è disegnato il solo elettrone libero che si sposta in qua ed in là intorno ai vari nuclei di rame; vedremo tra breve che è lui, insieme con gli altri elettroni liberi presenti nel filo, il responsabile della corrente elettrica: in un filo di rame lungo 1 metro e di diametro 0,3 millimetri ci sono circa 500 milioni di miliardi di elettroni liberi! Ma in questa situazione non accade nulla, non c è corrente. La quantità di elettricità La quantità di elettricità (simbolo Q) dovrebbe essere la carica elementare posseduta dall'elettrone. Tuttavia poiché essa é troppo piccola per essere etroina 2

3 usata praticamente, si impiega il coulomb (simbolo C) definito come la carica di 6,2 x elettroni. Colleghiamo ora il filo di rame con un generatore di corrente (pila) e con un apparecchio utilizzatore (lampadina): in altre parole, adesso il filo è inserito in un circuito elettrico. Come vediamo nella parte centrale, fortemente ingrandita, l'elettrone libero si muove a zig zag verso il morsetto positivo della pila, dal quale viene attratto. Dentro la pila c'è infatti uno squilibrio di cariche, con gli elettroni accumulati presso il morsetto negativo (-) e le cariche positive accumulate presso il morsetto positivo (+). Miliardi di elettroni liberi, come quelli del disegno, si muovono verso il morsetto positivo da cui vengono come «aspirati»; il loro posto viene occupato dagli elettroni che escono dal morsetto negativo, da cui vengono come «pompati». Si ha così un movimento circolare di elettroni liberi, cioè una corrente elettrica. Una curiosità. Mentre circola la corrente, ogni elemento conserva le proprie caratteristiche senza consumarsi. Infatti la corrente è solo un trasferimento di cariche elettriche, senza trasferimento di materia. In altre parole, tutti gli atomi del generatore, del filo conduttore e della lampada restano alloro posto, e si muovono solo gli elettroni liberi. La corrente elettrica è determinata da un movimento di cariche, tutte dello stesso segno, gli elettroni, che si muovono in modo ordinato, sempre nello stesso verso, attraverso un conduttore. Il movimento degli elettroni ha bisogno di un dislivello, la differenza di carica elettrica esistente alle due estremità del conduttore. Il flusso di carica elettrica é quello dall'estremo del conduttore con eccesso di cariche negative, indicato come polo negativo (-), a quello con eccesso di cariche positive, detto polo positivo (+), ma per convenzione si é stabilito che esso sia opposto, cioè dal polo positivo a quello negativo. etroina 3

4 Approfondimento: Il verso convenzionale della corrente elettrica Hai visto che la corrente elettrica consiste in un flusso di elettroni che va dal catodo (o polo negativo) all'anodo (o polo positivo). Devi però tener presente che la scoperta dell'elettrone fu compiuta alla fine del XIX secolo, mentre l'invenzione della pila da parte di Alessandro Volta avvenne nel XVIII secolo. Poiché i fisici del primo '800 non conoscevano ancora la struttura elettrica della materia, essi ipotizzarono che la corrente elettrica fosse dovuta al movimento di cariche positive. Tutte le leggi che vennero enunciate in seguito si fondarono su questo presupposto, per cui, per convenzione, ancora oggi si usa dire che la corrente elettrica consiste in un flusso di cariche positive dall'anodo (+) al catodo (-). Quanto più grande è la differenza di potenziale tra i due corpi, tanto maggiore è la quantità di corrente che attraversa il conduttore che li collega. Il circuito elettrico Il circuito elettrico è un percorso chiuso in cui circola corrente elettrica, costituito dall'insieme degli apparecchi elettrici e dei loro collegamenti, destinati a essere attraversati dalla corrente. I componenti di un circuito elettrico sono: il generatore di corrente, che può essere l'alternatore, la pila o l'accumulatore; gli apparecchi utilizzatori, come la lampada, il frullatore elettrico, il ferro da stiro,cioè gli apparecchi che trasformano la corrente in altra forma di energia; i fili conduttori, che collegano il generatore agli apparecchi utilizzatori e che trasportano la corrente elettrica; gli interruttori, che interrompono oppure lasciano passare la corrente elettrica. Sono in genere una lamina di metallo posta ai due capi del circuito, che si solleva per interrompere il circuito, si abbassa per chiudere il circuito e far passare la corrente elettrica. Prima di rispondere, cerca e sottolinea nel testo le frasi utili. Quali parti formano un circuito elettrico? Che cos è un utilizzatore? Che cos è l interruttore e come funziona? Esperimento: costruiamo un circuito elettrico Per tutti gli esperimenti con l'elettricità dovrai usare, come generatori di corrente elettrica, le pile che, con il loro basso voltaggio, generalmente 4,5volt, non procurano rischi. Come conduttori usa fili di rame ricoperti di plastica isolante; togli con un coltellino un po' del rivestimento, attorciglia tra loro i fili etroina 4

5 di rame, effettua il collegamento e ricopri poi con nastro isolante. Si possono anche usare componenti elettrici muniti di attacchi a vite e morsetti di congiunzione a vite o a molla (teste di coccodrillo); con questi morsetti avrai collegamenti, più affidabili. Obiettivo: osserviamo le caratteristiche di un circuito elettrico. Materiale occorrente: una pila, filo di rame, lampadina mignon da 4,5 V, portalampade mignon, interruttore per lampada da tavolo. Procedimento: collega la lampadina a due fili di rame, fissa un filo a un elettrodo della pila e il secondo filo all'altro elettrodo. Che cosa accade? In un circuito elettrico sono presenti un generatore, ad esempio una pila, il conduttore, filo di rame, un utilizzatore, la lampadina, l'interruttore. Inserisci ora l interruttore e collega le due estremità del conduttore alla pila. Conclusioni: quando il circuito è chiuso la corrente passa e la lampadina si accende. Quando il circuito è aperto la corrente non passa e la lampadina non si accende. Tipologia di circuiti elettrici: circuiti in serie e in parallelo Esistono due tipi di circuiti profondamente diversi tra loro: quello in serie e quello in parallelo. etroina 5

6 Gli utilizzatori di un circuito, per esempio le lampadine, possono essere collegati sia in serie che in parallelo, come si può notare in figura. Nel caso del collegamento in parallelo (B) le lampadine sono più luminose; infatti, ognuna fruisce di un'uguale tensione. Nel collegamento in serie (A) lo stesso valore di tensione va suddiviso fra tutte le lampadine. Nel collegamento in serie infatti, la tensione occorrente per far accendere normalmente le lampadine è uguale alla somma delle tensioni di ciascuna lampadina. Inoltre, in un collegamento in serie, se un utilizzato si guasta (per esempio una lampadina si brucia) si interrompe il circuito e anche gli altri utilizzatori si spengono. Questo inconveniente, invece, non si verifica per il collegamento in parallelo. Per tali motivi, nelle abitazioni si usano impianti elettrici con collegamenti in parallelo. Si ha così la possibilità di spegnere una lampada indipendentemente dalle altre, mentre ciò non sarebbe possibile con un collegamento in serie. etroina 6

7 Circuito in serie È quello nel quale gli utilizzatori si susseguono su di un unico conduttore (lampadine dell'albero di Natale) e l'avaria di uno di essi compromette l'intero circuito. Circuito in parallelo È formato da un conduttore, detto primario, dal quale si dipartono una serie di altri conduttori cui sono collegati i singoli utilizzatori. In tal caso il guasto di uno di essi é ininfluente. etroina 7

8 Si possono avere collegamenti in serie e in parallelo anche dei generatori, le pile. Usando più pile, collegate una all'altra tra polo positivo e polo negativo, otterremo un collegamento in serie. Se invece colleghiamo fra loro tutti i poli positivi e tutti i poli negativi, la luminosità della lampadina non verrebbe aumentata, ma rimarrebbe invariata poiché invariato è il valore della tensione (4,5 V). Questo collegamento in parallelo assicura tuttavia una maggiore durata nell'erogazione della corrente elettrica. Prima di rispondere, cerca e sottolinea nel testo le frasi utili. Quando si ha un collegamento in serie degli utilizzatori? Quando in parallelo? Quando si ottengono collegamenti in serie e in parallelo dei generatori di corrente? etroina 8

9 Tre grandezze importanti In un circuito elettrico sono presenti tre grandezze principali, meglio conosciute con le rispettive unità di misura: gli ampere (A), i volt (V), gli ohm (D). Queste grandezze sono legate tra loro. La differenza di potenziale o tensione elettrica Per chiarire il concetto di forza elettromotrice ricorriamo all'esempio di un circuito idraulico: un circuito elettrico assomiglia ad un circuito idraulico, e da esso partiremo per spiegare il funzionamento della corrente. Immaginiamo di avere due recipienti vuoti collegati tra di loro attraverso un tubo uscente dal loro fondo e munito di una valvola che inizialmente é chiusa ed impedisce la comunicazione tra i due recipienti. Versiamo poi in uno di essi dell'acqua fino a riempirlo completamente ed apriamo quindi la valvola. L'acqua scorrerà nel tubo dal recipiente pieno a quello vuoto a causa dell'energia potenziale (peso) posseduta e tale flusso continuerà finché il suo livello non sarà lo stesso nei due recipienti, cioè fino a quando ci sarà una differenza di energia potenziale tra le masse d'acqua. Il dislivello tende ad annullarsi a causa del flusso della corrente d acqua. Inseriamo adesso una pompa, che avrà l effetto di mantenere la differenza di livello tra i due recipienti. Se ora, ritornando al campo elettrico, sostituiamo il recipiente ed il tubo con un conduttore e l'acqua con le cariche elettriche potremo meglio comprendere il concetto di differenza di potenziale. Il circuito elettrico funziona in modo analogo a quello idraulico. La corrente elettrica, che consiste in un movimento di elettroni, scorre dentro il filo conduttore perché ai suoi capi A e B c'è un «dislivello elettrico», o per essere più precisi, una tensione elettrica. La dinamo, che viene tenuta in rotazione, mantiene il dislivello elettrico ai capi del filo, cioè ha la stessa funzione della pompa nel circuito idraulico. Gli elettroni si spostano naturalmente dal polo in cui sono presenti in maggiore quantità (-), a quello in cui ve ne sono meno (+). La dinamo provvede poi a riportarli dal polo positivo a quello negativo, in modo etroina 9

10 che possano rifare il giro del circuito. Il flusso di elettroni della corrente elettrica, come abbiamo visto, si ha soltanto se tra le estremità del conduttore esiste quella che si definisce una differenza di potenziale elettrico o tensione. Quanto più grande è la differenza di potenziale agli estremi di un conduttore, tanto maggiore è la quantità di corrente che lo attraversa. E la differenza di potenziale sarà tanto maggiore quanto maggiore sarà la forza che spinge gli elettroni. Questa forza si chiama tensione elettrica e si misura con il voltmetro. La sua unità di misura è il volt (simbolo V), il cui nome deriva da quello del famoso fisico italiano Alessandro Volta ( ). Il voltmetro è lo strumento che misura la differenza di potenziale o tensione elettrica tra due poli di un generatore di corrente elettrica. Completa le frasi: La corrente elettrica è determinata da un flusso di che si muovono in. Si definisce differenza di potenziale la differenza di tra due corpi e tale differenza dipende dalle. La forza che spinge gli elettroni a percorrere un conduttore è la e si misura in pertanto la corrente elettrica si determina dalla differenza di. L intensità di corrente elettrica Immaginiamo di essere sul bordo di un'autostrada per misurare l'intensità del traffico in quel punto: usando come traguardo una linea immaginaria, trasversale alla corsia, conteremo il numero di autoveicoli che la oltrepassano in un certo intervallo di tempo. Con lo stesso metodo possiamo misurare l'intensità della corrente elettrica, che consiste nello spostamento di elettroni liberi all'interno di un circuito. Come la quantità d'acqua che nell unità di tempo attraversa una sezione di un tubo si chiama «portata» e si misura in metricubi (m 3 ), e la portata d acqua aumenta in relazione alla sezione del tubo e al dislivello ai capi del tubo, cosi la quantità di elettroni che nello stesso tempo attraversa una sezione di un conduttore si definisce intensità della corrente elettrica se la quantità di corrente si esprime in coulomb ed il tempo in secondi. Intensità di corrente elettrica = quantità di elettricità/tempo L unità di misura della intensità di corrente elettrica è l ampere (simbolo A), etroina 10

11 dal nome del fisico francese André Marie Ampère ( ) e si misura con gli amperometri e, per piccole intensità, con i galvanometri. L amperometro è lo strumento che misura l intensità della corrente elettrica. Prima di rispondere, cerca e sottolinea nel testo le frasi utili. Che cosa si intende per intensità di corrente elettrica? Qual è la sua unità di misura? Che cos è un galvanometro? E' importante osservare che la corrente che scorre all'interno di un corpo, non e' qualcosa che viene dall'esterno: ogni corpo e' fatto di atomi, e sono proprio gli elettroni degli atomi che, per effetto di una forza applicata dall'esterno (chiamata forza elettromotrice o tensione o differenza di potenziale), cominciano a spostarsi da un atomo all'altro, dando origine al flusso di cariche chiamato corrente elettrica. La corrente elettrica può essere debolissima, come quella che, all'interno degli organismi viventi, trasmette gli impulsi nervosi; può essere abbastanza forte, come quella che accende la lampadina della nostra stanza, e può essere fortissima, come quella che fonde i metalli in un altoforno o fa camminare un treno a 150 km all'ora. Sappiamo bene che oggi senza la corrente elettrica si fermerebbe tutto. Dove troviamo la corrente in casa nostra? Naturalmente nelle prese, le comunissime prese di corrente. Occorre però fare una precisazione: nelle prese non c'e' la corrente, ma c'e' la tensione, ovvero quella forza che spinge gli elettroni a muoversi, dando origine alla corrente. Questa forza ha un valore ben preciso, che si indica con un numero, abbinato ad una unità di misura: il volt; così come diciamo che Elisa e' alta 168 centimetri, possiamo dire che la tensione disponibile nelle prese di casa nostra misura 220 volt. Osservando bene una presa, vedremo che in essa ci sono tre fori: trascuriamo per il momento il foro centrale, che ha solo una funzione di sicurezza, e parliamo dei due fori laterali. La forza elettromotrice, o tensione, di 220 volt, e' presente tra i due fori. etroina 11

12 Per semplificare, possiamo immaginare che in uno dei fori sia presente la forza che serve a spingere le cariche elettriche e che l'altro serva solo per ricevere le cariche che hanno terminato il loro percorso utile e se ne vanno. La tensione presente sulla presa, non produce alcun effetto finché niente vi viene inserito; nel momento in cui vi inseriamo una spina, per esempio la spina di una lampada, non facciamo altro che creare un collegamento tra il foro che spinge e quello che risucchia: nel filo della lampada comincia a scorrere una corrente elettrica, che ha come effetto l'accensione della lampadina. In figura 1 e' stato evidenziato con un tratto continuo tutto il percorso seguito dalla corrente, supponendo che essa si sposti nel verso indicato dalle piccole frecce bianche. Si vede che la corrente esce dal foro della presa contrassegnato col numero 1, percorre il filo di collegamento ed arriva alla lampadina. Il punto di contatto tra il filo e la lampadina e' rappresentato in questo caso dalla parte filettata, o torso, indicata con T; il torso e' a sua volta collegato col filamento e così, come si vede in figura, la corrente prosegue il suo percorso, attraversando il filamento della lampada (che si accende) ed uscendo dall'altro punto di contatto, rappresentato dal bottone metallico situato sul fondo della lampadina, indicato con C. Da qui la corrente, percorrendo il filo di ritorno, arriva nuovamente alla presa, dove entra nel foro numero 2 e se ne va. La resistenza elettrica Abbiamo visto che la corrente scorre per effetto di una forza detta forza elettromotrice o tensione; c'e' però qualcosa che contrasta di più o di meno questa forza e tende a frenare lo scorrere degli elettroni: questa forza frenante, che dipende dalla natura del materiale attraversato, viene detta resistenza elettrica. E' bene adesso spendere qualche parola sulla lampadina: come mai alcune lampade fanno tanta luce ed altre ne fanno molto poca, pur essendo tutte ugualmente collegate alla stessa presa dove, abbiamo visto, ci sono 220 volt? La spiegazione risiede nella quantità di corrente che passa nella lampadina. Quelle che fanno poca luce vengono attraversate da poca corrente; quelle che fanno molta luce vengono attraversate da una corrente più forte. Maggiore e' questa resistenza e minore e' la corrente che riesce a passare (abbiamo visto che in certi materiali, detti isolanti, la corrente non passa per niente). Le lampadine che fanno più luce sono costruite in modo tale che il loro filamento, cioè quel filo che si scalda e diventa incandescente, abbia una resistenza bassa e possa quindi far passare più corrente. Questo risultato si può ottenere in vari modi: si può usare un materiale che per sua natura abbia una minore resistenza elettrica e quindi presenti una maggior attitudine ad essere attraversato dalla corrente scelto un certo materiale, si può usare un filo più grosso: più e' grosso il filo, maggiore e' la corrente che riesce a passare si può fare in modo che la lunghezza del filo sia minore: più corto e' il filo, più corrente passa. etroina 12

13 Due conduttori fatti con lo stesso materiale, ma di lunghezza diversa, offrono una diversa resistenza: il più corto avrà una resistenza minore del più lungo e quindi la lampadina collegata avrà una maggiore luminosità. Se il diametro del conduttore è maggiore, la resistenza è minore, l intensità di corrente aumenta e quindi la lampadina è più luminosa. Ritornando sempre al circuito idraulico esemplificativo, l'acqua che scorre nel tubo é frenata dall'attrito con le pareti e tale ostacolo é tanto maggiore quanto minore é il diametro del tubo stesso e quanto più lungo é esso. Anche il flusso di elettroni che attraversa un conduttore incontra un simile impedimento, che é detto resistenza elettrica, e la cui intensità dipende dalla sezione e dalla lunghezza del conduttore e dal materiale di cui esso é costituito. In particolare la resistenza, la cui unità di misura é l'ohm (simbolo Ω), é tanto maggiore quanto più lungo é il conduttore e quanto minore é la sua sezione. Inoltre alcuni materiali, detti conduttori, oppongono un piccolo ostacolo al flusso degli elettroni mentre altri, detti isolanti, ne impediscono quasi del tutto il movimento. Tra ohm, ampere e volt esiste poi una relazione, detta Prima legge di Ohm (fisico tedesco), in base alla quale «la differenza di potenziale (V), agli estremi di un conduttore percorso dalla corrente elettrica, é proporzionale all intensità di corrente (I) ed alla resistenza (R)». Tale legge é espressa dalle formule: etroina 13

14 Il passaggio degli elettroni attraverso un conduttore di un circuito trova sempre un ostacolo, una resistenza al loro movimento. La resistenza elettrica è la difficoltà maggiore o minore che un conduttore oppone al passaggio della corrente elettrica. L unità di misura della resistenza elettrica è l ohm (Ω), che equivale alla resistenza di un conduttore al passaggio di 1 ampère (A) di corrente ed abbia agli estremi la tensione di 1 volt (V). Riepilogando possiamo dire che: Un materiale può essere attraversato da corrente se e' conduttore. La corrente che passa in un materiale dipende da due fattori: 1- dalla forza elettromotrice, o tensione, applicata 2- dalla resistenza del materiale Con riferimento ad un conduttore di determinate dimensioni, se indichiamo con V la tensione applicata, con I la corrente che attraversa il conduttore e con R la sua resistenza, possiamo esprimere matematicamente la relazione che esiste fra le tre grandezze. In pratica questo vuol dire che conoscendo il valore di due delle tre grandezze in gioco, e' possibile calcolare la terza. Esercizio: se ho un utilizzatore la cui resistenza R e' di 44 ohm e lo collego ad una tensione V di 220 volt, posso dire subito che nel mio utilizzatore passerà una corrente di 5 ampere, perché? 220/44 dà come risultato 5. Completa le frasi La resistenza elettrica è la maggiore o minore che un conduttore oppone al passaggio. L unità di misura della resistenza è che rappresenta la resistenza che un conduttore oppone al passaggio di di corrente quando ai suoi estremi vi è la tensione di In un circuito con due conduttori fatti con lo stesso materiale, ma uno più lungo e uno più corto, il primo offre una resistenza al passaggio del secondo. Se invece i due conduttori sono uno più grosso e uno più sottile, il primo offre una resistenza al passaggio della Una lampadina ha resistenza di 6 ohm. Qual è la differenza di potenziale da applicare perché l intensità della corrente assorbita dalla lampadina sia di 2 ampére? etroina 14

15 Qual è l intensità di corrente necessaria per far funzionare una stufa elettrica, se la sua resistenza è di 40 ohm e la differenza di potenziale di 220 volt? Qual è la resistenza di un filo conduttore attraversato da una corrente elettrica di intensità pari a 0,1A, se tra i suoi estremi vi è una differenza di potenziale di 2,5 V? Quale differenza di potenziale è presente agli estremi di un conduttore avente la resistenza di 15 ohm, se l intensità di corrente è di 8 ampére? Quando una lampada assorbe più corrente di un'altra e quindi fa più luce, si dice che e' di maggiore potenza: cerchiamo allora di definire esattamente che cos'è la potenza. La potenza elettrica e l energia elettrica La potenza é il prodotto dell intensità di corrente, misurata in ampere, per la tensione, misurata in volt. L unità di misura della potenza elettrica é il watt (simbolo W) e suoi multipli sono il chilowatt (simbolo kw), pari a watt, ed il megawatt (simbolo MW), pari a di watt. Il prodotto della potenza elettrica (watt) per il tempo (ore) è l energia elettrica consumata e la misura di 1 chilowattora (simbolo kwh) corrisponde all energia consumata in un'ora da un apparecchio elettrico della potenza di watt. Ad esempio una lampadina da 100 W consuma: 100 wattora (cioè 0,1kWh) se funziona per 1 ora; 10 wattora (cioè 0,01kWh) se funziona per 6 minuti, ovvero 1/10 di 1 ora; 300 wattora (cioè 0,3kWh) se funziona per 3 ore. Per sapere quanta energia elettrica consuma una famiglia (e quindi l importo della bolletta bimestrale) non basta dunque conoscere la potenza che assorbe ogni singolo apparecchio elettrico, occorre anche saper per quanto tempo il singolo apparecchio è rimasto in funzione. Esercizio. Osserva una bolletta dell energia elettrica. Troverai il consumo espresso in kwh, il numero di ore, la spesa per ogni kwh, le tasse relative e la spesa totale. E' intuitivo dire che la potenza dipende dalla corrente assorbita, ma non basta, perchè se io faccio funzionare la stessa lampada con una tensione più alta, ottengo una luce ancora più forte (e forse la lampada si brucia). Ciò significa che per parlare di potenza devo considerare non solo la corrente assorbita, ma anche la tensione a cui la lampada assorbe una certa corrente: questo porta a etroina 15

16 concludere che, dal punto di vista numerico, la potenza si calcola moltiplicando la tensione per la corrente. Per chiarire meglio quanto affermato, consideriamo le due lampadine a lato: quella a sinistra è una lampadina per fari di automobili, ed è progettata per funzionare con la batteria da 12 volt; quella di destra è una comune lampada per l'illuminazione casalinga a 220 V. Pur essendo diverse nella forma e nella tensione di funzionamento, le due lampade sono progettate per assorbire la stessa potenza di 40 W; infatti, la prima, collegata alla batteria dell'auto, assorbe una corrente di 3,3A mentre la seconda, collegata alla presa da 220V, assorbe una corrente di 0,18A. Esercizio. Calcoliamo la potenza nei due casi: per la lampada da auto abbiamo P = 12 x 3,3 = 39,6 watt; per la lampada di tipo domestico abbiamo P = 220 x 0,18 = 39,6 watt. Come si vede, a parità di potenza, più bassa è la tensione di funzionamento, più alta è la corrente assorbita. Tutti i dispositivi che funzionano con la corrente elettrica, sono chiamati utilizzatori. La nostra casa e' piena di esempi di utilizzatori: frigorifero, lavatrice, asciugacapelli, televisione, stufe elettriche, tutti i dispositivi di illuminazione (piantane, lampadari, ecc.) e tanti altri. Se hai in casa il contatore, una scatola nera con un disco che gira e che misura l'energia consumata, vai a vedere come il disco gira con velocità diverse a seconda degli utilizzatori che accendete; noterai che girerà piano quando attacchi un frullatore o un ventilatore, ma girerà molto più velocemente se attacchi alla corrente una stufa o il forno elettrico. In pratica la velocità di rotazione del disco dipende dalla corrente che in quel momento sta passando negli utilizzatori che tu hai collegato alla rete elettrica. Ogni utilizzatore e' caratterizzato da due dati: la tensione di funzionamento e la potenza che assorbe quando funziona a quella tensione. La tensione di etroina 16

17 funzionamento deve essere assolutamente rispettata, pena la distruzione dell'utilizzatore stesso; attualmente la tensione nelle nostre case ha il valore unificato di 220 volt, e quindi e' poco probabile che un utilizzatore venga collegato ad una tensione errata. La potenza può variare, anche di molto, da un apparecchio all'altro ed in ogni apparecchio elettrodomestico è sempre presente una targhetta che indica la potenza massima assorbita: asciugacapelli 1.500W Lettore CD 15W Computer + monitor a colori 300W Ferro da stiro 750W Forno elettrico 2.200W Lampadina ad incandescenza 100W Lampada al neon 25W Lavatrice 1.200W Rasoio elettrico 30W Radio-registratore 40W Televisore 21 pollici 100W Non e' possibile in genere far funzionare in casa utilizzatori di potenza superiore a circa 3.000W (3kW), altrimenti scatta la protezione di sovraccarico e si resta al buio. Naturalmente il discorso vale anche per più utilizzatori di potenza minore, ma fatti funzionare contemporaneamente: una lampada da 100W, accesa mentre si usa un asciugacapelli da 1.500W, e mentre magari ci si scalda con una stufa da 800W, equivale ad una potenza totale assorbita di 100W+1.500W+800W, e cioè 2.400W. Una volta era comune trovare nelle case più di una tensione: non solo 220, ma anche 160 e 110 volt. Qualcuno si divertiva a prendere una lampada del tipo a 160 volt e la collegava a 220. La lampada faceva una bella luce vivida, molto più bianca e forte di quella normale, ma dopo poche ore era bruciata! Questo succede perchè, a causa della forza elettromotrice (o tensione) troppo elevata, nella lampada passa una corrente superiore a quella che il filamento può sopportare senza distruggersi. Se la stessa lampada fosse stata progettata per funzionare a 220 volt, il suo filamento sarebbe stato costruito con filo più sottile e sarebbe stato più lungo, in modo da opporre una maggiore resistenza alla corrente che cerca di passare sotto la spinta di una tensione più elevata. etroina 17

18 Questo ragionamento trova conferma nelle tre formule che abbiamo visto prima: una di esse ci dice che la corrente e' pari al valore della tensione diviso il valore della resistenza; e' chiaro quindi che se una lampadina deve funzionare ad una tensione più alta, deve essere maggiore anche la sua resistenza. Ma e' possibile calcolare quanto vale la resistenza di un filo? La resistività elettrica Certamente, e' possibile calcolare la resistenza di qualsiasi corpo o materiale, in base alle sue dimensioni ed alla sua composizione chimica e fisica. Anche la resistenza elettrica si calcola (seconda legge di Ohm) con una formula La resistenza di un conduttore rappresenta la sua capacità di opporsi al passaggio della corrente e si misura in ohm (O). Questa grandezza dipende innanzitutto dal tipo di materiale impiegato. etroina 18

19 Il rame, l'alluminio e l'argento, oppongono una resistenza molto piccola e sono utilizzati come fili conduttori. Invece il tungsteno, il materiale di cui è costituito il filamento delle lampadine quello delle stufe elettriche, ha una resistenza molto grande. La resistenza dipende anche dalla lunghezza del conduttore: così in una stufa elettrica gli elettroni incontrano meno ostacoli in un filo di tungsteno lungo 20 cm che in uno lungo 2 m. Infine la resistenza dipende anche dalla sezione del conduttore: più questa è grande, più ampio è il «tubo» attraverso il quale possono spostarsi gli elettroni liberi e quindi la resistenza è minore. La resistenza complessiva di un conduttore dipende pertanto dal materiale di cui è fatto, dalla lunghezza e dalla sezione. A parità di tensione fornita dal generatore ai capi di un conduttore è maggiore la sua resistenza complessiva, è minore l'intensità della corrente che lo attraversa. Il simbolo ro si indica la resistivita', che identifica una caratteristica fisica specifica di ciascun materiale: il rame, per esempio, ha una resistività minore del ferro e quindi e' più adatto a far passare la corrente. Il nichelcromo ha una resistività elevata, pari a circa 60 volte quella del rame, e così risulta adatto per la costruzione di resistenze elettriche, cioè apparecchiature che sono utili proprio perchè presentano una resistenza elevata. etroina 19

20 Esercizio. Calcoliamo la resistenza di un filo di acciaio nichel-cromo avente una sezione di 0,2 mm quadrati e una lunghezza di 10 metri. Occorre conoscere quanto vale la resistività dell acciaio nichel-cromo; cercando in un apposito manuale si trova resistivita' del nichel-cromo = 1,1 [ohm mm 2 /m] il che significa 0,9 ohm di resistenza per ogni metro di lunghezza, quando la sezione misura 1 millimetro quadrato. Moltiplicando il valore della resistività (1,1) per la lunghezza del mio filo, 10 (metri) e dividendo per la sezione, 0,2 (millimetri quadrati): ottengo come risultato 55; siccome e' il valore di una resistenza, diremo 55 ohm. Analizzando la formula della resistenza dal punto di vista dimensionale si verifica facilmente che esprimendo la resistività in ohm mm 2 /m, la lunghezza in m e la sezione in mm 2, si ottiene il valore della resistenza in ohm. Resistività di alcuni materiali a O C Metalli ρ (Ωm) Leghe ρ (Ωm) Argento 1, Manganina Rame 1, Costantana Oro 2, Accaio al silicio Alluminio 2, Acciaio al ferro-nichel Sodio 4, Acciaio al nichel-cromo Tungsteno 5, Zinco 5, Semi conduttori ρ (Ωm) Ferro 9, Platino Germanio 5 Stagno Silicio 10 3 Nichel Piombo Isolanti ρ (Ωm) Bachelite 10 9 Porcellana Vetro Mica Paraffina Quarzo etroina 20

21 Compiti a casa Da quali elementi è costituito un circuito elettrico? Paragona gli elementi di un circuito elettrico con quelli di un circuito idraulico. Che cos è la tensione? In che senso si muovono gli elettroni? Qual è il verso convenzionale della corrente? Che cos è l intensità di corrente e la resistenza? Quali sono le unità di misura della intensità di corrente, della tensione e della resistenza? Enuncia la prima legge di Ohm. Che cos è la potenza elettrica e con quale unità si misura? Che differenza c è tra potenza elettrica ed energia elettrica? Quanta energia consuma una lampadina da 50W se sta accesa 2 ore? E corretto dire che ogni due mesi, quando arriva la bolletta dell elettricità, paghiamo i kilowatt che abbiamo consumato? Sicurezza A volte in un impianto elettrico può capitare, per qualche irregolarità di funzionamento, che la corrente tenda ad acquistare un'intensità troppo elevata, con il rischio di provocare danni a parti dell'impianto o ad apparecchiature a esso collegate. Per evitare ciò si inseriscono tra il generatore e il circuito degli elementi chiamati valvole fusibili, o più semplicemente fusibili Un fusibile è costituito di un tratto di materiale conduttore (per esempio piombo) a basso punto di fusione, fissato a un supporto. Quando l'intensità della corrente raggiunge un valore tale da riscaldare fino al punto di fusione il materiale di cui è fatto il fusibile, questo fonde: allora si interrompe il circuito e la corrente smette di circolare prima di aver raggiunto un'intensità eccessiva. etroina 21

22 Gli effetti della corrente elettrica L elettricità, come sappiamo, é una forma di energia che si manifesta sia come causa sia come effetto di fenomeni termici, chimici, fisiologici e meccanici. L'effetto termico della corrente elettrica Se tocchi una lampada accesa, ti accorgerai subito che si è riscaldata. La corrente elettrica, passando attraverso un conduttore, produce calore e questo calore aumenta con l'aumentare della resistenza del conduttore; la corrente elettrica, infatti, quando attraversa un conduttore, incontra un ostacolo che si definisce resistenza. Tale fenomeno, dannoso per il trasporto della corrente, é invece molto utile in quanto attraverso l'uso di cattivi conduttori, quali tungsteno e nichelcromo, si può ottenere luce o calore in modo semplice e pulito. La formula Q = I 2 x R x t permette di calcolare la quantità di calore Q prodotta da una corrente di intensità I che attraversa per il tempo t un conduttore la cui resistenza é R. Come si può notare l intensità della corrente, poiché é elevata al quadrato, agisce da moltiplicatore sull'effetto termico. L effetto termico della corrente elettrica o effetto Joule, dal nome del fisico inglese James Prescott Joule ( ), in ambito domestico, viene sfruttato, per mezzo delle cosiddette resistenze, nel funzionamento di apparecchi di grande utilità, quali le lampadine per l'illuminazione, il ferro da stiro, il forno elettrico, le stufe elettriche, le lavatrici, le lavastoviglie, l'asciugacapelli, il tostapane, gli scaldabagni, i forni elettrici. Tutti questi apparecchi sono infatti provvisti di una elevata resistenza, adatta a produrre la quantità di calore necessario. Sulla componente luminosa dell'effetto termico si basano le comuni lampade ad incandescenza (lampadina) nelle quali un sottile filamento di tungsteno, racchiuso in un'ampolla di vetro priva d'aria e riempita di gas inerte (argo o azoto), quando é percorso dalla corrente elettrica si riscalda per effetto della resistenza a temperatura elevatissima (2.500 C) e diventa luminoso. Le lampade al neon sono invece dei tubi di vetro, nei quali é contenuto un gas, il neon, molto rarefatto. Gli elettrodi, sistemati alle estremità del tubo, producono una scarica elettrica che genera col gas un flusso luminoso. Queste lampade, che possono essere costruite di qualsiasi forma e colore, consumano poca energia e sono quasi prive di effetti termici. etroina 22

23 In un conduttore percorso da corrente elettrica, il flusso di elettroni urta gli atomi del conduttore, che cominciano a vibrare determinando un'agitazione che provoca un aumento di temperatura. Per aumentare l'effetto joule si usano generalmente conduttori formati da fili sottili, più volte ripiegati su se stessi per renderli più lunghi, che presentano una resistenza elettrica maggiore. Se la resistenza del conduttore è elevata, e così pure l'intensità di corrente nel circuito, il conduttore può fondere e provocare un corto circuito con eventuale fiamma. Per evitare ciò, nei circuiti vengono inseriti dei piccoli conduttori, detti fusibili, che, in caso di surriscaldamento, hanno la proprietà di fondere prima di quelli di utilizzo. In questo modo il circuito elettrico viene interrotto e non vi è più passaggio di corrente. La lampada ad incandescenza è certamente una delle più importanti applicazioni dell effetto termico della corrente elettrica. Dagli inizi del XIX secolo furono molti i tentativi effettuati per costruire una lampadina elettrica in grado di funzionare con una certa continuità, ma solo nel 1879 Thomas Alva Edison ( ) riuscì nell intento. Le sue prime lampadine avevano il filamento fatto di fibre di bambù carbonizzate che, al passaggio della corrente, si riscaldava fino a diventare incandescente ed emettere una luce giallastra e debole. Questa lampadina divenne ben presto di uso comune, pur presentando alcuni inconvenienti: consumo elevato, luce tenue e giallastra, filamento di breve durata. Negli anni successivi, vennero realizzate le lampadine ad incandescenza con un filamento in tungsteno inserito in una ampolla di vetro in cui veniva praticato il vuoto. Il tungsteno è un metallo che sopporta temperature fino a C senza disgregarsi e che da una luce bianca ed intensa. Ulteriori studi portarono a comprendere che la combustione e carbonizzazione del filamento veniva ancor più rallentata sostituendo il vuoto dall interno del bulbo con gas inerti (argon, azoto). Il tungsteno ha così la possibilità di raggiungere la temperatura di C senza quasi consumarsi. Attualmente le lampadine più moderne sono quelle a risparmio energetico. In esse l emissione di energia luminosa si ottiene provocando una scarica elettrica in un gas a bassa pressione contenuto in un involucro di vetro. etroina 23

24 In ambiente industriale invece l effetto termico della corrente elettrica é usato per la saldatura ad arco ed in diversi tipi di forni elettrici. etroina 24

25 L'effetto chimico della corrente elettrica Osserviamo ora il passaggio della corrente elettrica attraverso i fluidi e in particolare attraverso l'acqua e le soluzioni. Se inseriamo in un circuito, completo di generatore e utilizzatore, un bicchiere con acqua distillata, vedremo che la lampadina non si accende. Facciamo lo stesso inserendo nell'acqua un po' di sale: la lampadina si accende. Perché accade ciò? L'acqua pura é un cattivo conduttore di elettricità. Invece, quando nell'acqua sono sciolte altre sostanze (acidi o sali) si ottengono delle soluzioni che funzionano come buoni conduttori. La soluzione di acqua e sale si comporta da buon conduttore perché il soluto, il cloruro di sodio (NaCl), è in grado, una volta sciolto in acqua, di dissociare le sue molecole in ioni positivi o cationi (Na+) e ioni negativi o anioni (Cl-) secondo la reazione: NaCl -> Na + + Cl - cloruro ione ione di sodio sodio cloro. Se immergiamo le estremità di un circuito in un bicchiere contenente acqua distillata la corrente non passa e la lampadina non si accende. Se nel bicchiere invece c'è una soluzione di acqua e sale, la lampadina si accende. Questo accade perché il cloruro di sodio si dissocia in ioni, cioè in particelle cariche di elettricità positiva e negativa. Questo fenomeno è detto idrolisi (hydor = acqua, lysis = scioglimento) e le sostanze che lo determinano sono dette elettroliti. A seconda che si dissocino più o meno, ossia in relazione al loro grado di dissociazione, esistono elettroliti deboli, come l'acqua che si dissocia soltanto in minima parte in cationi H + e anioni OH -, e elettroliti forti, come i sali in genere, gli acidi e le basi. Ma perché gli elettroliti forti sono buoni conduttori di elettricità? Quando inseriamo nel circuito l'acqua distillata questa si comporta da isolante; gli elettroni si spostano dal polo negativo della pila (catodo) verso il polo positivo della pila (anodo). Una volta arrivati all'elettrodo (formato per lo più da una barretta di metallo o di carbone) immerso in acqua, si arrestano, il circuito si apre e la corrente non passa. etroina 25

26 Se all'acqua sostituiamo una soluzione di cloruro di sodio, gli elettroni arrivati all'elettrodo attirano verso di sé i cationi Na +, liberi di muoversi nella soluzione, i quali catturano un elettrone e diventano così neutri. Contemporaneamente, all'altro elettrodo si dirigono gli anioni Cl -, attirati dal polo positivo della pila che richiama elettroni. Una volta arrivati, cedono un elettrone neutralizzandosi. Pertanto, l'elettrodo collegato al polo negativo della pila (catodo) cede elettroni ai cationi, mentre l'elettrodo collegato al polo positivo della pila (anodo) sottrae elettroni agli anioni. In questo modo si ha un trasporto di elettroni all'interno della soluzione che chiude il circuito e fa passare corrente elettrica. Tale reazione chimica viene detta elettrolisi, che significa "scissione mediante elettricità" ed è per questo motivo che si parla di effetto chimico dell' elettricità. Osserva la dissociazione del cloruro di sodio nei suoi ioni: gli ioni positivi migrano al polo negativo o catodo, dove si scaricano trasformandosi in sodio metallico, quelli negativi al polo positivo o anodo, dove si scaricano trasformandosi in cloro gassoso. Ma dove viene maggiormente sfruttato l'effetto chimico della corrente elettrica, ossia l'elettrolisi? Negli accumulatori, apparecchi in grado di accumulare energia elettrica per poi cederla all'occorrenza (come la comune batteria delle automobili). Hanno generalmente la forma di una scatola al cui interno si alternano piastre metalliche, una di tipo positivo e l'altra di tipo negativo, immerse in un liquido elettrolitico. Collegando ai poli di un generatore elettrico gli elettrodi dell'accumulatore, la corrente elettrica, attraversandolo, produce l'elettrolisi. etroina 26

27 Nell'industria chimica si utilizza l'elettrolisi per scomporre sostanze complesse in elementi semplici, ad esempio per produrre idrogeno e ossigeno rendendo acidula l'acqua con acido solforico. Nell'industria metallurgica, l'elettrolisi serve per separare alcuni metalli dai loro minerali (elettrometallurgia) e così purificarli. L'elettrolisi viene usata anche in galvanostegia, un processo che serve per estrarre i metalli dai loro minerali oppure a ricoprire oggetti metallici con un sottilissimo strato di altri metalli, per esempio per argentare un oggetto di un metallo meno prezioso. Prima di rispondere, cerca e sottolinea nel testo le frasi utili. Che cosa significa il termine elettrolisi? Perché in un circuito con generatore e utilizzatore in cui sia inserito un bicchiere con acqua distillata la lampadina non si accende? Perché, se c'è invece acqua e sale, la lampadina si accende? Dove viene sfruttato l'effetto chimico della corrente elettrica? etroina 27

28 L'effetto magnetico della corrente elettrica o elettromagnetismo Il fisico danese Hans Christian Oersted ( ) scoprì, nel 1819, che, al passaggio di corrente, in un circuito elettrico si crea un campo magnetico che mette in movimento l'ago della bussola. Se costruiamo un circuito elettrico, come in figura, vedremo che al passaggio della corrente l'ago magnetico inizia a ruotare e, dopo qualche oscillazione, si ferma in posizione perpendicolare al filo e lungo la direzione nord-sud. Nel 1819 infatti il fisico danese Oersted pose un filo elettrico parallelamente all'ago di una bussola. Appena vi fece circolare la corrente continua, presa da una pila di Volta, l'ago della bussola deviò bruscamente. Interrompendo la corrente l'ago tornava nella posizione normale. Era quindi chiaro che il filo elettrico si comportava come un magnete (esperienza di Oersted). All'effetto magnetico della corrente elettrica si dà il nome di elettromagnetismo. Se avvolgiamo una barretta di ferro dolce con un filo conduttore e lo colleghiamo ad una pila, otteniamo un solenoide. Questo si comporta esattamente come una calamita e viene chiamato elettrocalamita. Pochi anni dopo il fisico francese Ampère rifece la stessa esperienza con un solenoide, cioè un filo elettrico avvolto a spirale. La deviazione dell'ago della bussola era molto più accentuata poiché il solenoide generava un campo magnetico la cui intensità, proporzionale al numero delle spire, era molto più alta e le estremità del solenoide erano in grado di attirare piccoli oggetti di ferro (esperienza di Ampère). Un solenoide è formato da una barretta di ferro avvolta da un filo conduttore. In seguito a tale scoperta si riuscì ben presto a creare campi magnetici più intensi avvolgendo in spire più numerose il filo conduttore in cui far scorrere la corrente. Quando la corrente viene tolta, il ferro perde il suo potere magnetico. Un altro studioso, il francese Arago, provò infine ad inserire un nucleo di ferro dolce dentro il solenoide. Quando in esso circolava la corrente elettrica le estremità del nucleo riuscivano ad attirare grossi oggetti di ferro (esperienza di Arago). Era nata così l'elettrocalamita. L'effetto magnetico della corrente elettrica che permette dunque di trasformare una barretta di ferro in calamita grazie al solenoide, viene utilizzato nell industria per il trasporto di materiali ferrosi (elettrocalamita) e nella costruzione di strumenti per la misurazione di grandezze elettriche, come l'amperometro e il voltmetro, nella costruzione del campanello elettrico, del telegrafo, del telefono e in altre applicazioni. etroina 28

29 Prima di rispondere, cerca e sottolinea nel testo le frasi utili. Che cos'è l'elettromagnetismo? Che cos'è un solenoide? Com'è fatta un'elettrocalamita? Dove viene sfruttato l'effetto magnetico della corrente elettrica? L effetto fisiologico della corrente elettrica Il corpo umano è conduttore e quindi può essere attraversato dalla corrente elettrica: il passaggio della corrente attraverso il corpo umano viene avvertito come una "scossa La corrente elettrica, anche quella delle nostre case, che ha una tensione alquanto elevata (220 V) ed é alternata e quindi più pericolosa, ha effetti potenzialmente dannosi sul corpo umano. La resistenza elettrica del corpo umano può variare (indicativamente da 2000 a Ohm) secondo le condizioni in cui esso si trova: per esempio, se si tocca un filo percorso da corrente con la mano bagnata, la resistenza è minore che se la mano fosse asciutta. Ecco perché è sempre imprudente toccare con mani o piedi bagnati un apparecchio elettrico in funzione. I danni dipendono, oltre che dall intensità della corrente, dagli organi attraversati da essa e dalla resistenza che oppone il corpo umano al suo passaggio. La corrente attraversa il corpo poiché si dirige verso il pavimento che ha un potenziale nullo. Il caso più frequente di folgorazione si ha quando si tocca un filo elettrico nel punto in cui si è lacerato il rivestimento isolante, come in figura. In questo caso si produce una tensione tra il corpo umano e il terreno che determina il passaggio di corrente attraverso il corpo. Il passaggio di corrente attraverso il nostro corpo. che è un sistema chimico fisico estremamente delicato, può provocare danni gravissimi. Nei casi più gravi (correnti da 0,005A a 0,03A) la morte é provocata dal blocco dei muscoli del torace responsabili della respirazione, cioè per asfissia. Negli altri casi a seconda della gravità della folgorazione si hanno disturbi alla respirazione, alterazioni del battito cardiaco, sensazioni dolorose diffuse ed un generale senso di disagio. Gli effetti dannosi della corrente elettrica negli ambienti domestici possono essere prevenuti con l'impianto di messa a terra e con gli interruttori salvavita. Ci sono casi, invece, in cui è necessario far passare corrente elettrica attraverso il corpo umano: per ottenere registrazioni dell'attività elettrica del cervello (elettroencefalogramma) o del cuore (elettrocardiogramma) si usano correnti molto più deboli di 0,005A. Perché la corrente non fulmina gli uccelli sui fili? Un uccello se ne sta tranquillamente appollaiato sul cavo di una linea elettrica ad alta tensione. etroina 29

30 Come mai la pericolosissima alta tensione in questo caso si rivela del tutto innocua? Forse il corpo dell uccello, a differenza del corpo umano, non conduce corrente elettrica? No, anche il corpo dell'uccello è un buon conduttore, ma quando è nella situazione in cui si trova in figura, non è attraversato da alcuna corrente perché il corpo dell'uccello e il tratto di cavo conduttore compreso tra le sue zampe sono due conduttori collegati in parallelo e il tratto di cavo ha una resistenza elettrica praticamente trascurabile rispetto a quella del corpo del volatile: si verifica dunque un corto circuito tra i punti A e B e la corrente circola tutta attraverso quest'ultimo, e non circola minimamente attraverso il corpo dell'uccello. L effetto meccanico della corrente elettrica Gli effetti dell'induzione elettromagnetica sono reversibili, cioè un conduttore, libero di muoversi ed immerso in un campo magnetico, quando in esso circola la corrente elettrica si muove a causa di una forza generata dal campo magnetico stesso. Tale principio é alla base di tutti i motori elettrici, che sostanzialmente sono delle dinamo o degli alternatori, per tal motivo definiti macchine reversibili, ai cui indotti viene fornita corrente elettrica. I motori elettrici, che costituiscono l'elemento base della maggior parte degli apparecchi che funzionano con la corrente elettrica, sono quindi dispositivi capaci di trasformare l'energia elettrica in energia meccanica. etroina 30

31 I generatori chimici Le pile e gli accumulatori sono dispositivi di piccole dimensioni, ermeticamente sigillati, all'interno dei quali non vi sono parti in movimento, ma solo piastre metalliche e sostanze chimiche. Quando l'apparecchio é inserito in un circuito elettrico tra le piastre ed il prodotto chimico si sviluppano delle reazioni che generano una corrente elettrica continua. La pila di Volta Il primo generatore di corrente é stato realizzato da Alessandro Volta nel La sua pila funzionava in base ad un principio abbastanza semplice, detto effetto Volta. Se infatti 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 0,78 V. 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 1,08 V a causa delle reazioni chimiche innescate dall'acido solforico. L acido, che aggredisce tutti i metalli, agisce di più sullo zinco che sul rame e si crea un flusso di elettroni dallo zinco al rame che determina così la differenza di potenziale tra i due dischetti. 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. etroina 31

32 La pila a corona di tazze Wollaston modificò la pila di Volta creando la cosiddetta pila a corona di tazze, formata da recipienti di vetro in cui é presente una soluzione di acqua distillata ed acido solforico. In tale liquido sono immerse due lamine, una di rame e l'altra di zinco. La soluzione acida corrode lo zinco, gli sottrae cariche positive e lo lascia con una sovrabbondanza di elettroni. La lamina di zinco diventa cosi il polo negativo (catodo), mentre quella di rame, che ha un eccesso di cariche positive, diviene il polo positivo (anodo). Le pile a secco Le pile più comuni e che oggi si usano sono del tipo a secco, dette anche pile Leclanché. Si chiamano a secco perché l elettrolita, cioè la soluzione liquida, è sostituita da sostanze pastose. L'apparecchio è composto da un guscio formato da tre strati diversi: quello esterno, in lamierino di latta, ha funzione protettiva; quello intermedio, di plastica, ha funzione isolante; quello interno, di zinco e di forma cilindrica, costituisce il polo negativo. Il cilindro di zinco é riempito con una pasta nerastra, detta elettrolito, composta da sali ammoniacali. Nell'elettrolito é immerso un bastoncino di carbone, che sostituisce il rame della pila di Volta e che costituisce il polo positivo. Ogni pila a secco fornisce una tensione di 1,5 volt e le pile piatte (4,5 volt) sono formate da tre pile collegate in serie. etroina 32

33 Le pile alcaline Recentemente sono state introdotte pile a lunga durata (alcaline) con struttura ed elettrolito diverso dalle Leclanché. La loro caratteristica è di fornire una tensione costante per un tempo tre volte superiore a quello offerto dalle pile zinco-carbone. La differenza rispetto alle pile zinco-carbone sta nell elettrolita, che in questo caso non è costituito da una sostanza acida, bensì da una sostanza alcalina (sostanze antagoniste degli acidi, dei quali annullano l acidità). In questo tipo di pile l elettrolita è costituito da idrossido di potassio. Le pile al mercurio Per fornire l energia necessaria al funzionamento di alcuni apparecchi di piccole dimensioni, come orologi da polso, calcolatrici, macchine fotografiche, si utilizzano pile che hanno come sostanze conduttrici ossido di mercurio e polvere di zinco e come elettrolita utilizzano idrossido di potassio. La loro caratteristica principale è quella di avere una durata di funzionamento ancora più elevata di quelle alcaline. Queste pile hanno una forma molto piatta, per cui sono dette a bottone, e sono contenute in un rivestimento di acciaio. etroina 33

34 Gli accumulatori al piombo L'accumulatore é un apparecchio elettrico molto diffuso, sia per l'avviamento dei motori a scoppio, sia per muovere i carrelli industriali, sia per impianti di emergenza. Esso non é un generatore, poiché si limita ad accumulare, cioè conservare, l'energia elettrica ricevuta da un generatore, ma può erogarla ad un apparecchio utilizzatore. Un accumulatore al piombo é formato da coppie di griglie di piombo, immerse in una soluzione di acido solforico ed acqua distillata. Le griglie costituiscono gli elettrodi e sono alternate in modo che ogni griglia collegata al polo negativo sia opposta ad un'altra collegata al polo positivo. Durante la carica dell accumulatore, l'energia elettrica provoca delle reazioni chimiche, e gli ioni positivi si depositano al catodo sotto forma di atomi di piombo: le griglie positive si ricoprono con uno strato di biossido di piombo e la superficie di quelle negative si trasforma in piombo spugnoso. Quando l accumulatore viene collegato al circuito esterno (scarica) restituisce l energia accumulata durante la carica tramite lo spostamento di ioni: le reazioni avvengono in senso contrario e si ha un passaggio della corrente in senso inverso rispetto a quello di carica. Gli accumulatori per le autovetture (batteria) sono formati da una serie di 6 elementi, detti celle, ed ogni elemento fornisce la tensione di 2 V. etroina 34

35 Per non avere dubbi nell'individuazione di anodo e catodo e dei segni da attribuire loro in una cella elettrolitica e in una pila, può essere utile fare riferimento alle regole che seguono, basate sul ragionamento piuttosto che sulla memoria: Elettrodo Azione Semireazione Polarità pila lisi pila lisi ANODO Sposta gli ioni negativi ossidazione riduzione - + CATODO Sposta gli ioni positivi riduzione ossidazione + - all'anodo si ha sempre la semireazione di ossidazione e sul catodo sempre la semireazione di riduzione (per ricordare: vocale con vocale, consonante con consonante); in una cella elettrolitica l'anodo ha segno positivo (per attirare elettrostaticamente gli ioni negativi), mentre il catodo è l'elettrodo negativo (in modo da attirare i cationi); in una pila la semicella che ha potenziale standard di riduzione più basso (tenendo conto anche del segno) ha minor tendenza a ridursi, quindi sarà coinvolta dalla semireazione di ossidazione, la quale deposita elettroni sull'elettrodo, che acquista quindi segno negativo. Invece la semicella con potenziale standard di riduzione più alto (tenendo conto anche del segno) ha forza maggiore nel ridursi e questa semireazione sottrae elettroni all'elettrodo dandogli così una carica positiva. etroina 35

36 Storia dei generatori di corrente elettrica Con l'invenzione della pila di Volta ebbe inizio l'utilizzo pratico della corrente elettrica. Vediamone qui le principali tappe. - Prima linea telegrafica: è il primo impiego pratico di vasta portata della corrente elettrica (generata da pile). - Antonio Pacinotti costruisce un prototipo di dinamo (l'anello che da lui prese il nome): viene così resa possibile la produzione di corrente elettrica in grandi quantità, che non poteva essere ottenuta solo con l'impiego delle pile. - Thomas Alva Edison costruisce la prima lampadina elettrica a incandescenza. - Prima centrale elettrica a New York: ha inizio la produzione di corrente elettrica per uso pubblico. Il dispositivo "Morse" Prepara due interruttori a fermaglio nel seguente modo: su un pezzetto di legno fissa due puntine da disegno a distanza di qualche centimetro, quindi apri un fermaglio e infila un capo sotto una puntina: l'interruttore è chiuso quando l'altro capo del fermaglio viene a contatto con la seconda puntina. Piega i fermagli verso l'alto sopra le puntine. Collega due pile e due lampadine con le rispettive portalampadine alle estremità di due fili lunghi quanto basta per andare da una stanza in un'altra. Quando le puntine si toccano con i fermagli il circuito si chiude e le lampadine si accendono: si potranno inviare messaggi e vedere i messaggi che l'altro invia, usando il codice Morse. etroina 36

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