U.D.: LA FISICA NELLA PRATICA

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1 U.D.: LA FISICA NELLA PRATICA Obiettivi specifici di apprendimento: lo studio di questa Unità di apprendimento ti aiuterà a trasformare in COMPETENZE PERSONALI le seguenti conoscenze e abilità CONOSCENZE: Terminologia tecnica specifica e simbologia corretta Conoscenza dei concetti fondamentali legati all elettricità attraverso sperimentazioni pratiche ABILITA : Saper utilizzare attrezzi e strumenti idonei Saper progettare e realizzare semplici circuiti Saper eseguire prove sperimentali con i progetti realizzati 1

2 Le leggi della FISICA regolano la vita di tutti i giorni; spiegano i fenomeni naturali e sono alla base di tutte le invenzioni Poi lo specchio si asciuga, il cuore sparisce, ma se si appanna di nuovo il cuore riappare magicamente (pellicola di grasso insolubile in acqua) Intensità con cui viene riflessa la luce quando attraverso un qualcosa di trasparente (legge di Rayleigh) Acqua che bolle: da liquido a gassoso (passaggi di stato) Nell Ollie Forze segrete che tengono incollate lo skate (sovrapposizione delle forze) La forza delle tue gambe nelle ruote (trasferimento di forze con ingranaggi) Anche la traiettoria del pallone è questione di FISICA (Moti) 2

3 Anche il contatto talvolta coinvolge la fisica, soprattutto se si sprigiona una scossa. Non è questione di feeling ma di ATOMI Vi mostrerò solo alcune ESPERIENZE SCIENTIFICHE; che permetteranno agli alunni di comprendere meglio il fenomeno fisico dell ELETTRICITA. Inizialmente potrebbero sembrare dei giochi di magia; ma mi auguro che al termine del percorso, la magia si trasformi in conoscenza Come avrete già capito i campi di applicazioni della fisica sono quasi infiniti! 3

4 ELETTRICITÀ L'elettricità non è stata inventata dall uomo; è un fenomeno fisico naturale e per rendersene conto è sufficiente togliersi un maglione di lana che si è indossato tutto il giorno; o un pigiama indossato tutta la notte e molto probabilmente si sentirà un crepitio di micro scariche elettriche che al buio sono spesso anche visibili e chiamiamo scintille. Questo fenomeno si riproduce anche su larga scala durante i temporali. Vai all Unità Didattica: ELETTRICITA STATICA 4

5 MA quando le scintille diventano ELETTRICITÀ? Ma ATTENZIONE con lo strofinio non riusciresti ad accendere una lampadina! Nemmeno sfregando insieme tutte le pecore della Patagonia.? Nel fulmine la scia luminosa non è altro che la "strada" che percorrono quelle particelle infinitesimali (molto molto piccole) che si chiamano elettroni. ELETTRICITA sono elettroni in movimento DAL WEB: COLLEGAMENTO ENERGIA_ENERGIA ELETTRICA_FRECCIA N 1 ATOMO 5

6 SIETE PRONTI a fare la conoscenza delle misure elettriche? Equipaggiamento necessario:?? solo un po di FANTASIA! 6

7 Misure elettriche Come abbiamo già capito, gli elettroni sono già nei materiali, ne fanno parte integrante, ma così come un sasso lasciato cadere raggiungerà il terreno sottostante, l elettrone (di "carica" negativa) da un certo potenziale (consideriamola un'altezza), si può spostare ad un altro potenziale (un'altra altezza), se attirato da una "carica" positiva. La differenza tra le due altezze si chiama DIFFERENZA DI POTENZIALE non si misura in metri (m) ma in Volt (V) DAL WEB: COLLEGAMENTO ENERGIA_ENERGIA ELETTRICA_FRECCIA N 3 ddp 7

8 Tensione o altezza del trampolino Immaginiamo che l elettrone sia un tuffatore, la differenza di altezza tra piscina e trampolino rappresenta la differenza di potenziale (tensione). E come possiamo misurare l'altezza del trampolino in metri, così possiamo misurare la tensione in volt (V). Disegni: Igor Arbanas Noi tutti utilizziamo quotidianamente degli apparecchi infilando una spina in una presa; in quella presa ci sono 220 volt. Vuol dire che tra i due "buchi" della presa esiste questa differenza di potenziale - d.d.p. o tensione (V) 8

9 Corrente Intensità di corrente Tuffatori nell unità di tempo La corrente elettrica è il movimento degli elettroni che passano da un potenziale all'altro, nell'esempio del trampolino si può pensarla come un tuffo continuo di tuffatori. L'Intensità (I), lo dice la parola, è più specificatamente la quantità di elettroni che si muovono in un certo tempo (si misura in ampere), ed è quasi come se contassimo quanti tuffatori si lanciano dal trampolino in un secondo. 9

10 Generatore elettrico o scala mobile Ma se si è lasciato cadere un sasso da una certa altezza, quel sasso di certo non tornerà da solo all'altezza da cui è caduto e questo avviene anche per gli elettroni (tuffatori). Ed allo stesso modo il tuffatore ha bisogno di qualcosa per salire sul trampolino. Ma allora come fa ad esserci sempre una tensione di 220V nella nostra presa, anche se ne utilizziamo la corrente? Così come il nostro maglione indossato tutto il giorno è stato "elettrizzato" dal nostro stesso movimento, allo stesso modo esistono degli apparecchi che mantengono artificialmente la tensione costante: sono i generatori e ce ne sono di vari tipi; quello che tutti nel quotidiano utilizziamo di più è la batteria (pila). Si può vedere il generatore come una scala mobile che fa salire i tuffatori al trampolino in maniera costante e questo permette loro di continuare a tuffarsi. PILA: EN CHIMICA IN EN ELETTRICA CENTRALI: EN CHIMICA-EN TERMICA-EN CINETICA-EN ECCANICA-EN ELETTRICA EN POTENZIALE-EN CINETICA-EN MECCANICA-EN ELETTRICA 10

11 Ora FORSE siete in grado di capire meglio la Formulazione matematica delle relazioni che troveremo sperimentalmente 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 Vai all Unità Didattica: ELETTRICITÀ STATICA 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 11

12 Per poter sperimentare questa legge dobbiamo costruire il CIRCUITO ELETTRICO Cosa succede all'interno di un circuito elettrico? La corrente elettrica che fa accendere la lampadina è un flusso di particelle cariche chiamate elettroni. DAL WEB COLLEGAMENTO ENERGIA-ENERGIA ELETTRICA- FRECCIA N 5 Le cariche sono sempre presenti nel filo di rame, ma si ha corrente elettrica solo se gli elettroni sono messi in movimento dalla pila che spinge gli elettroni lungo i fili, un po' come il cuore pompa il sangue all interno di arterie e vene. Questo avviene perché tra i due poli della pila c'è un dislivello di cariche, chiamato come abbiamo visto tensione o voltaggio. Vai all Unità Didattica: ELETTRICITÀ LABORATORIO 12

13 Seconda legge di Ohm Formulazione matematica delle relazioni trovate sperimentalmente Analisi dell influenza della lunghezza e della sezione del conduttore sulla resistenza, a parità di materiale. Risulta intuitivo supporre che al raddoppiare della sezione la resistenza dimezzi e aumenti L INTENSITÀ. Così pure che diminuendo la lunghezza del cavo l'intensità della lampadina aumenta, segno che, a parità di sezione, pezzi di cavo più lunghi offrono più resistenza al passaggio della corrente. ++ R ++ R + I Sezione minore Lunghezza maggiore + R + R Sezione maggiore ++ I Lunghezza minore In termini matematici: R = ρ x l/s CAVO della corrente ottimale : CORTO e GROSSO (quindi limitiamo le prolunghe!) ρ (K costante)= resistività tipica del materiale (in tabelle) 13

14 Per cercare di spiegare la 2 legge di Ohm Immaginiamo il percorso dell'elettrone attraverso un materiale conduttore, rettilineo. Per fare questo assimileremo l'elettrone ad un corridore e analizzeremo cosa «gli può succedere in gara». La corrente elettrica passa attraverso un materiale con un certo grado di difficoltà, dovuto alle caratteristiche fisiche del materiale stesso, ma anche alle dimensioni del conduttore. È quel "grado di difficoltà" che noi consideriamo è la resistenza elettrica (R) e si misura in ohm e il suo simbolo è Ω (omega - ultima lettera alfabeto greco) 14

15 Torniamo al nostro elettrone che ormai sappiamo essere un corridore (dal tuffatore al corridore). Anzi, contiamone tre, uguali identici: tre cloni che fanno una gara su una spiaggia: uno corre sul bagnasciuga, uno con l'acqua alle ginocchia, l'altro con l'acqua che arriva al petto. Non si avranno dubbi sul risultato della gara. Il primo corridore attraversa un materiale, l'aria, che offre la minor "resistenza" al suo passaggio; il secondo si muove già nell'acqua che invece possiede maggior "resistenza", ma deve trasportare il suo corpo attraverso l'aria che ne offre meno; il terzo si troverà a muoversi e trasportarsi quasi interamente immerso avendo i maggiori problemi. Si capisce che la resistenza è data dal materiale che l'elettrone attraversa; ma si intuisce che c'è dell'altro 15

16 Resistività Di fatto ogni materiale possiede una "resistenza elettrica specifica" od "intrinseca" detta resistività. Per capire meglio si pensi al corridore 1 ARIA al corridore 3 ACQUA e si pensi ancora ad un quarto che corra in un materiale più denso che ne so, nel miele MIELE e ad un quinto che lo faccia immerso in palline da ping-pong PALLINE La difficoltà che ognuno di loro avrà nello stesso percorso sarà diversa. 16

17 Dimensioni SEZIONE (S) S = r 2 x π area in mm 2 Più GRANDE sarà la sezione del conduttore, MINORE sarà la resistenza che offrirà. Metaforicamente se assimiliamo S alla larghezza di una pista, potremmo pensare alla differenza tra una maratona fatta nelle vie del centro e una fatta su un autostrada (possibilmente chiusa al traffico). LUNGHEZZA (l) in metri Più LUNGO sarà il conduttore, MAGGIORE sarà la resistenza. Basti pensare che alla partenza di una maratona vi è un marasma, mentre i corridori all'arrivo sono tutti distanziati; inversamente gli arrivi dei 100m piani sono tutti ravvicinati 17

18 Temperatura Un fattore importante che influenza la resistenza elettrica di un materiale, è la temperatura. Per spiegarne l'astruso motivo dovremmo guardare a livello atomico, ma per semplicità; ci accontenteremo di avvicinarci al concetto approssimando un pochinotanto non me ne vogliano i professori di scienze. TEMPERATURA DEL CONDUTTORE Abbiamo detto che il nostro elettrone-corridore corre lungo un conduttore che può essere di diverso materiale e quindi offrire una resistenza diversa, ma in realtà anche la temperatura del materiale conduttore stesso può rendere la corsa più o meno difficoltosa; e per analogia potremmo pensare allora che non si tratti di una semplice corsa ma di una corsa ad ostacoli, i cui ostacoli appunto si alzano e si abbassano a seconda della temperatura del conduttore. 18

19 La maggior parte dei materiali conduttori (e la totalità dei metalli) offre un aumento di resistività all'aumentare della temperatura. In altre parole: più caldo fa, più la resistenza aumenta; più freddo fa, più diminuisce. NB: Alcuni materiali hanno un coefficiente di temperatura negativo, cioè la resistività diminuisce all'aumentare della temperatura. Ne sono un esempio il carbone, la grafite e le loro leghe. TEMPERATURA DATA DAL PASSAGGIO DI CORRENTE C'è da fare ancora una considerazione sulla temperatura. Il nostro corridore più fatica farà a portare a termine la sua corsa e più si accalorerà, causando a sua volta un aumento di temperatura del conduttore (del filo). Questo comporta che un aumento eccessivo di temperatura può causare il collasso del conduttore La portata deve tener conto della resistenza del conduttore, ovvero è data dalla sua lunghezza e sezione, dal materiale che lo compone; ma va tenuta presente inoltre l'intensità di corrente (I) che l'attraverserà ossia quanti CORRIDORI devono passare. 19

20 Lezioni Dunwoody College - Prof. ssa Eeris Fritz Minneapolis, Minnesota 20

21 QUIZ di_scienza_divertente&scheda=382&titolo=elettricit%e0&language=2 bibliografia IGOR ARBANAS Schede dal sito: I fogli di allumino appallottolati sono poi ottimali per evitare la formazione di elettricità statica nei vostri panni inseriti nell asciugabiancheria 21