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S c i e n z e n a t u r a l i L'elettricità Scuola media Classe IV Giubiasco, giugno 2006

SOMMARIO 1. Produzione e costo dell'elettricità... 1 1.1. La fattura per la fornitura di energia elettrica... 4 1.2. Quanto costa... 5 1.3. Quali apparecchi necessitano di tanta energia elettrica?... 6 1.4. La potenza... 7 1.5. Potenza degli elettrodomestici più comuni... 8 1.6. Da dove proviene l'elettricità che utilizziamo?... 10 1.7. Conduttori e isolanti... 11 1.8. La pila... 12 1.9. La cella fotovoltaica... 13 1.10. La rete di distribuzione dell'elettricità... 13 1.11. L'alternatore da bicicletta... 16 1.12. Effetto elettrico della corrente elettrica... 17 2. Circuiti elettrici 2.1. Analogia con il circuito idraulico... 18 2.2. Simboli elettrici... 19 2.3. Collegamento in serie e in parallelo... 21 2.3.1. Collegamento in serie... 21 2.3.2. Collegamento in parallelo... 21 2.4. Costruzione di un circuito con due lampadine in serie... 22 2.5. Costrizione di un circuito con due lampadine in parallelo... 22 2.6. Accensione e spegnimento da due punti diversi... 23 2.7. Una protezione: il fusibile di sicurezza... 23 2.8. La legge di Ohm... 24 2.9. L'impianto domestico... 26 3. Effetti della corrente sul nostro corpo... 25 3.1. In caso d'incidente: cosa fare? Cosa non fare?... 26 Elettricità Pagina 3

1. Produzione e costo dell'elettricità Un po' di storia: le cariche elettriche Più di duemila anni fa i greci erano rimasti colpiti dalle caratteristiche dell'ambra, una resina prodotta da alcuni alberi e induritasi col tempo. Dopo averla strofinata con un panno di lana, essa acquista la proprietà di attrarre corpi leggeri (pezzetti di paglia, piccoli semi) che si trovano nelle sue immediate vicinanze. La parola elettricità deriva dal greco elektron, che vuol dire appunto ambra. Le cariche elettriche sono rappresentate dalle particelle cariche dell atomo: - gli elettroni, portatori di una carica negativa - i protoni, portatori di una carica positiva. I neutroni non portano nessuna carica. Noi inizieremo il nostro viaggio alla scoperta di questa ormai indispensabile fonte di energia partendo proprio da una cosa molto comune (ma non certo gradita ): la fattura per la fornitura di elettricità! Elettricità Pagina 4

1.1. La fattura per la fornitura di energia Ecco un esempio di fattura per la fornitura di energia elettrica. Alcune posizioni sono facilmente comprensibili, altre sono invece poco chiare! Ma come procede la società fornitrice per stabilire l'importo che dobbiamo pagare? Elettricità Pagina 5

1.2. Quanto costa. far funzionare per un certo tempo uno dei nostri apparecchi elettrici? Ovviamente dipende dall apparecchio! Come visto l azienda elettrica a cui facciamo capo, periodicamente ci invia una fattura per la fornitura di energia. Per calcolare l importo dovuto si deve procedere alla lettura del contatore che si trova in ogni casa o appartamento. Per meglio comprendere il suo funzionamento leggiamo attentamente la targhetta e proviamo a far funzionare diversi apparecchi collegandoli alla rete elettrica attraverso il contatore. Penso che funzioni così... Elettricità Pagina 6

1.3. Quali apparecchi necessitano di tanta energia elettrica? Il disco metallico rotante e le cifre del contatore girano con velocità diversa a dipendenza dell'apparecchio stiamo utilizzando. Facciamo una semplice esperienza: Facciamo bollire un litro di acqua e annotiamo le seguenti misure: tempo impiegato in secondi; quanti giri ha compiuto il disco del contatore; leggiamo anche le indicazioni tecniche riportate sul bollitore ad immersione. Indicazioni tecniche del bollitore Tempo impiegato per far bollire l'acqua Giri compiuti dal disco del contatore Altre osservazioni Elettricità Pagina 7

1.4. La potenza Dopo aver oscurato l aula, illuminiamola con differenti lampadine inserite su un portalampade da tavolo (vedi illustrazione). Anche in questa occasione colleghiamo il portalampada alla rete attraverso il contatore. Come varia la luce emessa dalle varie lampadine? Quanti giri compie il disco del contatore in un minuto? Completa la tabella leggendo anche quali indicazioni tecniche troviamo sulla lampadina stessa o sul suo imballaggio. Indicazioni tecniche Giri del contatore (in un minuto) Luce emessa Lampadina 1 Lampadina 2 Lampadina 3 Elettricità Pagina 8

1.5. Potenza degli elettrodomestici più comuni Ogni apparecchio elettrico è provvisto di una targhetta con l indicazione delle sue caratteristiche tecniche. Nella tabella sottostante riporta tali valori per alcuni degli apparecchi elettrici che vengono regolarmente usati a casa tua. Apparecchio Tensione volt Potenza watt Osservazioni Televisore 220/250 90 Penso che... Asciugacapelli Lampada Aspirapolvere Elettricità Pagina 9

Esercizio 1 Ora che abbiamo capito come viene calcolato l importo da versare alla società elettrica e quanto costa l energia necessaria per far funzionare per un certo tempo un apparecchio, rechiamoci nell aula di informatica e con EXCEL realizziamo il seguente lavoro: d - Foglio Excel che calcoli l ammontare della fattura partendo dalle indicazioni fornite dal contatore. Abbiamo chiesto informazioni riguardo la "Tassa sulla potenza". Noi pensavamo che si trattasse di una tassa calcolata in base alla potenza massima degli apparecchi installati in una casa Ebbene no! In pratica si tratta di un aumento del prezzo di 1 kwh! Indipendentemente dal fatto che si tratti di energia fornita di giorno o di notte, al prezzo del kwh viene semplicemente aggiunto un sovrapprezzo di 2.3 centesimi! Elettricità Pagina 10

Esercizio 2 Calcola, per la tua regione, il costo medio dell'energia elettrica e prepara il seguente lavoro: - Foglio Excel che permetta di calcolare quanto costa far funzionare un apparecchio per un'ora. Quante ore può funzionare lo stesso apparecchio con 1 fr? 1.6. Da dove proviene l elettricità che utilizziamo? Come visto, nella vita di tutti i giorni siamo confrontati con innumerevoli apparecchi che per il loro funzionamento necessitano di elettricità. Una rapida analisi ci permette di identificare tre possibili mezzi per ottenerla: Elettricità Pagina 11

1.7. Conduttori ed isolanti Per giungere nelle nostre case l elettricità necessita di una linea di trasporto. Tutti i materiali sono adatti per il trasporto della corrente elettrica? Per scoprirlo utilizziamo una semplice lampadina collegata a una pila. Interrompiamo il collegamento ed inseriamo materiali diversi lungo il circuito. Se il materiale esaminato lascia passare la corrente anche la lampadina si accenderà. Materiale Legno SI/ O NO Elettricità Pagina 12

1.8. La pila La pila è un sistema elettrochimico che consente di trasformare l energia chimica in energia elettrica. La prima pila fu ideata da Alessandro Volta nel 1799. La pila di Volta era formata da coppie di dischi di zinco e di rame sovrapposti e separati da dischetti di panno imbevuti di una soluzione di acido solforico. Utilizzando gli stessi materiali impiegati da Alessandro Volta costruiamo la nostra pila. Colleghiamo ora le piastrine metalliche a un piccolo motore. Prova ora ad intercalare un numero maggiore di piastrine di metallo. Alessandro Volta: Elettricità Pagina 13

1.9. La cella fotovoltaica Nei luoghi discosti, ma anche per far funzionare piccoli apparecchi elettronici, l elettricità è originata da celle fotovoltaiche meglio conosciute come "pannelli solari". Una cella fotovoltaica è in grado di convertire l energia luminosa in energia e- lettrica. Proviamo a far funzionare il nostro motore elettrico con una cella fotovoltaica: 1.10. La rete di distribuzione dell elettricità La maggior parte dei nostri apparecchi funziona però grazie all elettricità che giunge nelle nostre case grazie alla rete di distribuzione. Ma cosa ci sarà "dietro" la banalissima presa di corrente che si trova anche al tuo posto di lavoro? Prova a risalire la rete di distribuzione fino al punto dove l elettricità ha origine! Elettricità Pagina 14

Ecco una possibile soluzione: Cos è questo strano apparecchio? Elettricità Pagina 15

Eccolo! Si tratta proprio del comune "alternatore da bicicletta"! Permette di produrre la corrente elettrica necessaria per l'impianto di illuminazione della bici. Ma come funziona? Il miglior sistema per scoprire come funziona è aprire uno di questi strani apparecchi... Facciamo ancora una volta un salto nel passato: nel 1831 il fisico inglese Michael Faraday scoprì un interessante fenomeno: quando all interno di una bobina di filo conduttore si muove una calamita, nel filo della bobina si origina una corrente elettrica! In laboratorio possiamo riprodurre facilmente l'esperienza di Faraday. Colleghiamo i due capi di una lunga bobina di filo di rame a uno strumento di misura che indica il passaggio di corrente elettrica (microampèrometro) e muoviamo una calamita diritta avanti e indietro all'interno della bobina. Elettricità Pagina 16

1.11. L'alternatore da bicicletta Che a muoversi sia la calamita o la bobina di filo poco importa! Il risultato è sempre il medesimo: nel filo scorre una corrente elettrica. Il comune alternatore da bicicletta è quindi un generatore di corrente elettrica e può essere costruito in diversi modi. Ecco lo schema di un possibile modello: Proviamo a costruirlo con il materiale a nostra disposizione e verifichiamo il suo buon funzionamento. Elettricità Pagina 17

1.12. Effetto calorico della corrente elettrica La corrente elettrica non è visibile, per contro i suoi effetti sono facilmente osservabili. Realizziamo la seguente esperienza: Colleghiamo al generatore di corrente un filo di tungsteno avvolto in modo da formare alcune spire. Aumentiamo molto lentamente la tensione elettrica fornita dal generatore ed osserviamo cosa accade: In casa abbiamo moltissimi apparecchi elettrici il cui funzionamento si basa sull effetto calorico. Fondamentale per la sicurezza è la funzione di un piccolo elemento di cui molti sottovalutano l estrema importanza (vedi illustrazione). Di cosa si tratta? A cosa serve e come funziona? Il fusibile di sicurezza. Elettricità Pagina 18

2. Circuiti elettrici 2.1. Analogia con il circuito idraulico Si può paragonare la corrente elettrica al flusso dell acqua attraverso dei tubi. In questa analogia la batteria è la pompa che spinge l acqua, i fili conduttori corrispondono ai tubi nei quali scorre l acqua e l interruttore funziona in modo analogo al rubinetto. La pompa idraulica che solleva l acqua fino a un certo livello, nel circuito elettrico è rappresentata da un generatore di "dislivello elettrico", ad esempio una pila. Il dislivello elettrico o differenza di potenziale elettrico si misura in volt (V). La portata, cioè quanta acqua passa nel tubo ogni secondo, nel circuito elettrico si chiama "intensità elettrica" e si misura in ampere (A). Misurare l intensità elettrica equivale quindi a "contare" quante cariche elettriche passano nel filo ogni secondo! Elettricità Pagina 19

2.2. Simboli elettrici Per rappresentare i circuiti elettrici si impiegano simboli che rappresentano i vari componenti. Ecco i più usati: + - Per la costruzione dei nostri circuiti abbiamo a disposizioni degli elementi modulari con il simbolo corrispondente stampato sulla faccia superiore! Elettricità Pagina 20

Il seguente circuito, formato da una batteria (generatore), una lampadina (utilizzatore), un interruttore/deviatore e dei fili conduttori. lampadina fili di collegamento generatore interruttore/ deviatore diventa: Elettricità Pagina 21

2.3. Collegamento in serie e in parallelo Gli apparecchi elettrici si possono collegare al generatore nei seguenti modi: 2.3.1. Collegamento in serie analogia con il circuito idraulico 2.3.2. Collegamento in parallelo analogia con il circuito idraulico Elettricità Pagina 22

2.4. Costruzione di un circuito con 2 lampadine in serie Descrizione: 2.5. Costruzione di un circuito con 2 lampadine in parallelo Descrizione: Elettricità Pagina 23

2.6. Accensione e spegnimento da due punti diversi Nelle nostre case incontriamo sovente la necessità di poter accendere e spegnere la stessa lampadina da due punti differenti (ad esempio alle due estremità di un lungo corridoio). Proviamo a costruire un circuito simile! Descrizione: 2.7. Una protezione: il fusibile di sicurezza Per proteggere gli apparecchi elettrici da indesiderati sbalzi di tensione (ad e- sempio duranti i temporali), si inserisce un fusibile di sicurezza. Come fare? Descrizione: Elettricità Pagina 24

2.8. La legge di Ohm Nell analogia con il circuito idraulico abbiamo già parlato di: - differenza di potenziale elettrico o tensione elettrica (paragonabile al dislivello tra due punti) che si esprime in volt (V) - intensità della corrente elettrica (paragonabile alla portata) che si esprime in ampere (A) Per misurare la tensione si utilizza un voltometro che va inserito in parallelo, mentre per misurare l intensità si impiega un amperometro che si inserisce in serie lungo il circuito. Per scoprire quale relazione esiste tra queste due grandezze costruiamo un semplice circuito, dove l utilizzatore è una resistenza scalda-acqua ad immersione. A + - V R = 10 Ω Facciamo ora variare la tensione di alimentazione e vediamo cosa capita al valore dell intensità. Riportiamo i dati nella tabella seguente. Elettricità Pagina 25

Tensione U (volt) Intensità I (ampere) Quale relazione esiste tra la tensione U e l intensità I? In un circuito elettrico chiuso la tensione provoca il movimento delle cariche elettriche, cioè una corrente elettrica. Un circuito elettrico è caratterizzato dalle tre grandezze seguenti: La tensione elettrica U espressa in volt [V] L intensità della corrente I espressa in ampere [A] La resistenza elettrica R espressa in ohm [Ω] Dove: R = U I I = U R U = R. I La tensione U spinge la corrente I attraverso la resistenza R. In altre parole il valore in ohm della resistenza di un utilizzatore esprime quale tensione in Volt occorre affinché la resistenza venga percorsa da un intensità di 1 ampere. Elettricità Pagina 26

2.9. L'impianto domestico Nel nostro impianto casalingo tutti gli apparecchi sono collegati in parallelo e la tensione è di 220 Volt. I due estremi di ogni presa sono collegati a due cavi, la fase e il neutro e generalmente è presente un terzo cavo, la messa a terra che serve quale protezione in caso di incidente. NEUTRO FASE Perché gli apparecchi domestici sono collegati in parallelo? MESSA A TERRA Semplificando all'estremo, la figura precedente illustra come l'elettricità giunge fino alle nostre case. Come mai gli uccelli che si posano sui fili non restano fulminati dalla corrente? Elettricità Pagina 27

Effetti della corrente elettrica sul nostro corpo. Una corrente elettrica che attraversa il nostro corpo, può danneggiarlo molto seriamente. La pelle asciutta funziona da isolante impedendo cosi che l'elettricità si propaghi nell'organismo. Perché il suo potere isolante venga meno si deve verificare una situazione in cui il nostro corpo rappresenti la "chiusura" di un circuito e- lettrico. In questo caso le conseguenze possono essere irreparabili, anche perché i 220 V della corrente abitualmente fornita per gli usi domestici e, soprattutto, la sua intensità, sono più che sufficienti a uccidere una persona. Il passaggio di corrente elettrica attraverso il corpo può produrre effetti molto dannosi e talvolta addirittura letali a seconda delle caratteristiche della corrente applicata e la durata del contatto. In generale, si può dire che gli effetti dannosi della corrente dipendono dalla sua intensità e dal suo percorso attraverso il corpo. Correnti da 1 a 3 ma rappresentano la soglia della percezione e non sono pericolose. Correnti da 4 a 50 ma producono spasmi nella muscolatura scheletrica, particolarmente pericolosi quando interessano i muscoli respiratori (morte per a- sfissia). Correnti di maggiore intensità provocano l'arresto del cuore che quindi non funziona più come propulsore del flusso del sangue e provocano perciò la morte. Elettricità Pagina 28

In caso di incidente: cosa fare? cosa non fare? Come comportarsi in caso di folgorazione? Se il fusibile salvavita non scatta e la vittima è ancora sotto tensione bisogna disinserire prima possibile l interruttore generale della corrente. Più a lungo dura la scossa, maggiore è il rischio di danni. Quello che non si deve mai fare, altrimenti si può mettere a rischio la propria incolumità, è toccare la vittima ancora sotto tensione con le mani o con un oggetto bagnato o umido! Evitiamo i rischi! Elettricità Pagina 29