1. Presentazione del problema Al fine di sollecitare gli alunni a progettare, realizzare e verificare esperienze operative inerenti all Energia elettrica, l insegnante di Ed. Tecnica propone alla classe, divisa in gruppi, il seguente Problema tecnico-scientifico Ciascun gruppo esegua il progetto di un circuito elettrico per sperimentare gli effetti della corrente elettrica. 2.Ipotesi di soluzione I ragazzi avanzano le Ipotesi di soluzione al problema presentato e rilevano la necessità di acquisire conoscenze specifiche in merito a: o Simbologia elettrica o Tipologia dei circuiti elettrici o Gli effetti della corrente elettrica L insegnante propone una guida per orientare i ragazzi, i quali consultano testi, osservano i dispositivi, le macchine, gli elettrodomestici che utilizzano l energia elettrica e riflettono sulle diverse forme di conversione dell elettricità. GUIDA ALLA COMPRENSIONE DELLA ELETTRICITA - Che cos è l Elettrologia? Elettrostatica? Elettrodinamica? - Spiega il fenomeno di REPULSIONE e ATTRAZIONE tra due corpi. - Dai la definizione di MOLECOLA e ATOMO. - Quanti atomi hanno individuato gli scienziati? - Disegna la struttura di un atomo. - Che cos è la corrente elettrica? - Chi è il responsabile della corrente elettrica? - Un filo di rame lungo 1 m e con un diametro di 0,3 mm, quanti elettroni liberi possiede? - Che cosa succede in un circuito elettrico costituito da: generatore di corrente (pila), utilizzatore (lampadina), filo di rame o conduttore? - Che cosa dunque si genera in un circuito elettrico? - Che cosa sono i conduttori? Quali sono? - Che cosa sono gli isolanti? Quali sono? - La corrente elettrica è un trasferimento di materia o di cariche elettriche? GUIDA ALLA COMPRENSIONE DEL CIRCUITO ELETTRICO - Che cos è un circuito elettrico? - Quali sono i componenti? - Il circuito elettrico si può paragonare per analogia a - Che cosa avviene in un circuito idraulico? - Che cosa avviene in un circuito elettrico? - Quali sono le tre grandezze della corrente elettrica? - Da quale legge sono legate le tre grandezze? - Scrivi la relazione che lega le tre grandezze secondo la legge di Ohm. Che cosa vuol dire?
3.Progetto Segue: il protocollo dei ragazzi con lo schema degli effetti della corrente elettrica, l analisi di un circuito elettrico elementare e i simboli CEI di ciascun componente, i progetti degli impianti eseguiti dai ragazzi in équipe. SCHEMA EFFETTI CORRENTE ELETTRICA EFFETTI DELLA CORRENTE ELETTRICA LUMINOSO MAGNETICO lampada Apparecchi elettrici d uso comune CHIMICO galvanostegia galvanoplastica TERMICO FISIOLOGICO Ferro da stiro phon Stufa elettrica elettrocardio gramma Scossa elettrica CONCLUSIONE DEGLI ALUNNI La corrente elettrica circola attraverso i conduttori e produce fenomeni ed effetti diversi, fondamentali per le numerose applicazioni. La corrente elettrica alimenta molti apparecchi d uso domestico. Essi sono dotati di almeno uno dei seguenti dispositivi:un elettromagnete che produce forza magnetica, un motore che produce forza motrice, una resistenza che produce energia termica, una lampadina che produce energia luminosa.
PRINCIPALI ELEMENTI DI UN CIRCUITO E LORO SIMBOLI
TIPOLOGIE DI CIRCUITI ELETTRICI TIPOLOGIA DENOMINAZIONE Circuito elettrico elementare Circuito elettrico in parallelo di utilizzatori Circuito elettrico in serie di utilizzatori
TIPOLOGIA DENOMINAZIONE Disegno di generatori in parallelo eseguito da un alunno Schema di generatori in parallelo secondo la simbologia CEI Disegno di generatori in serie eseguito da un alunno Schema di generatori in serie secondo la simbologia CEI
4. Esecuzione dei modelli analogici Per la realizzazione degli impiantini elettrici viene fornito a ciascun gruppo: - materiale strutturato, da comporre secondo le istruzioni indicate - tavoletta in legno di piccole dimensioni, con i componenti necessari alla esecuzione del modello scelto CIRCUITO ELETTRICO ELEMENTARE CON INTERRUTTORE ( 1^soluzione con materiale strutturato ) Materiale occorrente: Basetta per componenti a spina Spine a ponte 2x Portalampada Lampada Batterie 1.5V 2x Interruttore - Esecuzione dell esperimento: 1. Mettere le batterie nella loro sede sotto la basetta. 2. Montare i componenti a spina nella basetta e lasciare aperti i contatti dell interruttore. 3. Chiudere e aprire l interruttore ed osservare la lampada. - Risultato dell esperimento: La corrente circola solo quando l interruttore è chiuso. L interruttore serve a chiudere e ad aprire un circuito in base alle condizioni di funzionamento richieste.
CIRCUITO ELETTRICO ELEMENTARE CON INTERRUTTORE ( 2^soluzione con materiali reperiti dai ragazzi) Materiale: - Tavoletta in legno di piccole dimensioni - Batteria da 4,5Volt - Lampada mignon 4,5Volt, con portalampada - Filo conduttore, lunghezza 30 cm.circa - Un interruttore mignon - Due morsetti a coccodrillo - Vinavil - Puntine da disegno con capocchia in plastica Strumenti: - Forbici, cacciavite Procedimento operativo: 1. Tagliare il filo conduttore in tre parti e spellare ciascuna estremità di 3 cm. circa 2. Incollare la batteria da 4,5 Volt sulla tavoletta. 3. Inserire l estremità del primo filo conduttore nel morsetto a coccodrillo. 4. Allentare le due viti dell interruttore ed inserire, in un foro, l altra estremità spellata del primo filo conduttore e, nell altro foro, l estremità del secondo filo conduttore. 5. Collegare l altra estremità del filo al basamento del portalampada, infine con il terzo filo conduttore, collegare il portalampada all altro morsetto. 6. Fissare il filo conduttore sulla tavoletta con puntine da disegno, o chiodini ad U. 7. Montare la lampada sul portalampada. 8. Collegare un morsetto al polo positivo e un altro al polo negativo della batteria. 9. Premere il pulsante dell interruttore e osservare che cosa succede; schiacciare ancora e trarre le conclusioni: che cosa abbiamo scoperto? - Risultato dell esperimento: L interruttore apre e chiude il circuito elettrico. Gli alunni costruiscono un terzo modello utilizzando una pila da 1,5 V e una lampada da 1,5 V
- Gioco di simulazione: Abbiamo simulato il circuito elettrico tenendoci per mano in un grande cerchio. Ogni ragazzo rappresentava un componente del circuito elettrico e stringeva forte le mani ai suoi due compagni: questo era il circuito chiuso. Poi un ragazzino ha lasciato la stretta e il cerchio si è interrotto: questo era il circuito aperto. Nel circuito chiuso passa la corrente che illumina la lampada, nel circuito aperto il passaggio della corrente è interrotto e la lampada rimane spenta. - Scoperte: Nella batteria si crea una differenza di potenziale tra i due poli che spinge il flusso di elettroni al polo positivo, producendo elettricità. COLLEGAMENTO IN PARALLELO DI UTILIZZATORI ( Soluzione con materiale strutturato ) - Materiale: Basetta per componenti a spina Lampade 2.5V 2x Spine da ponte 3x Batterie 1.5V 2x Portalampade 2x Interruttore - Esecuzione dell esperimento: 1. Mettere le batterie nella loro sede sotto la basetta. 2. Montare i componenti a spina nella basetta come illustrato in figura. 3. Lasciare l interruttore aperto. 4. Chiudere l interruttore e guardare le due lampade. 5. Svitare una lampada e guardare l altra. 6. Avvitare di nuovo la lampada e guardare cosa succede. - Risultato dell esperimento: Se due utilizzatori sono collegati in parallelo al generatore, i rispettivi circuiti possono funzionare indipendentemente l uno dall altro. Infatti, l interruzione di un circuito non influisce sul funzionamento dell altro. La tensione ai capi delle due lampade è sempre la stessa. Materiale Modello con interruttore aperto (lampade spente) Modello con interruttore chiuso (lampade accese)
COLLEGAMENTO IN SERIE DI UTILIZZATORI ( Soluzione con materiale strutturato ) Materiale: Basetta per componenti a spina Spine a ponte 3x Portalampada 2x Lampade 2.5V 2x Batterie 1.5V 2x Interruttore -Esecuzione dell esperimento: 1. Mettere le batterie nella loro sede sotto la basetta. 2. Montare i componenti a spina nella basetta. 3. Lasciare l interruttore aperto. 4. Chiudere l interruttore e guardare le lampade. 5. Svitare una lampada e guardare l altra. 6. Avvitare di nuovo la lampada e guardare cosa succede. -Risultato dell esperimento: Se due utilizzatori sono collegati in serie al generatore, essi sono percorsi dalla stessa corrente. Togliendo un utilizzatore dal circuito, s interrompe anche l altro circuito. Poiché la tensione della batteria si distribuisce sulle lampade, la loro luminosità diminuisce. Materiale Modello con interruttore aperto (lampade spente) Modello con interruttore chiuso (lampade accese)
Conoscenze acquisite: collegamento di utilizzatori Più utilizzatori sono collegati in serie quando sono montati uno dopo l altro, in modo da dover essere attraversati tutti dalla stessa corrente. La tensione si suddivide proporzionalmente su ogni utilizzatore, mentre la resistenza elettrica totale incontrata dalla corrente è uguale alla somma delle resistenze inserite nel circuito: Vtot = V1+ V2+V3 Rtot = R1+ R2 + R3. Se però un utilizzatore, per esempio una lampada, smette di funzionare il circuito si interrompe e si spengono anche gli altri utilizzatori; l illuminazione dell albero di Natale è un tipico esempio di utilizzatori collegati in serie. Più utilizzatori sono, invece, collegati in parallelo se hanno gli estremi in comune. In tal caso gli utilizzatori vengono attraversati dalla stessa tensione e percorsi da intensità di corrente inversamente proporzionale alla loro resistenza : Vtot = V1 =V2 =V3 Itot = I1 + I2 + I3. La resistenza totale è sempre minore di ogni resistenza collegata; se gli utilizzatori hanno resistenza uguale, la resistenza totale è data dal valore di una resistenza diviso per il numero delle resistenze: Rtot = R/n In questo collegamento ogni utilizzatore funziona indipendentemente dagli altri. Per questo, il collegamento in parallelo viene generalmente usato nelle abitazioni e negli impianti industriali. Conoscenze acquisite: collegamento di generatori Quando si ha bisogno di una tensione ( voltaggio ) più elevata di quella che può generare un solo generatore ( per esempio una pila o un accumulatore ) si ricorre al collegamento in serie. Tale collegamento avviene unendo il polo positivo di un elemento con quello negativo del successivo e così via; si ottiene così una batteria di pile o di accumulatori, la cui tensione risulta uguale alla somma delle tensioni dei singoli elementi, mentre l intensità di corrente è uguale a quella che potrebbe fornire un solo elemento: Vtot = V1 +V2 +V3 Itot = I1 =I2 =I3 Si ricorre invece al collegamento di più generatori in parallelo quando si vuole ottenere una corrente elettrica di intensità maggiore di quella che può erogare un solo generatore. Si ottiene il collegamento in parallelo unendo tra loro i poli positivi da un lato ed i poli negativi dall altro: la tensione sarà pari a quella fornita da un solo elemento, mentre l intensità di corrente risulterà uguale alla somma delle intensità erogate dai singoli elementi: Vtot = V1 = V2 = V3 Itot = I1 + I2 + I3
RESISTENZA DI RISCALDAMENTO A FILO ( Soluzione con materiale strutturato ) Occorrente: -Basetta per componenti a spina -3 spine a ponte -Interruttore -2 morsetti a coccodrillo -2 batterie 1.5V -Resistenza di riscaldamento a filo Esecuzioni dell esperimento: 1.Mettere le batterie nella loro sede sotto la basetta. 2.Montare i componenti a spina nella basetta. 3.Lasciare l interruttore aperto. 4.Tagliare 20 cm di filo della resistenza di riscaldamento ed avvolgerlo intorno ad una matita. 5.Grattare la vernice isolante alle due estremità del filo con un oggetto tagliente ed agganciare i due estremi nudi ai morsetti a coccodrillo. 6.Chiudere l interruttore per circa 30 secondi e poi aprirlo di nuovo. 7.Toccare il filo della resistenza di riscaldamento e verificare se si è riscaldato. Risultato dell esperimento: Alcuni materiali filiformi si riscaldano sensibilmente a causa della circolazione di corrente. Questi materiali sono usati per trasformare l energia elettrica in energia termica. MATERIALI CONDUTTORI E ISOLANTI ( Soluzione con materiale strutturato ) Occorrente: -Basetta per componenti a spina -2 spine a ponte -Portalampada -2 morsetti a coccodrillo -Lampada 2.5V -2 batterie 1.5V -Interruttore -Serie di conduttori ed isolanti
Esecuzione dell esperimento: 1.Mettere le batterie nella loro sede sotto la basetta. 2.Montare i componenti a spina nella basetta. 3.Lasciare l interruttore aperto. 4.Agganciare i vari materiali con i due morsetti a coccodrillo. 5.Chiudere l interruttore 6.Individuare i materiali con i quali la lampada è accesa. Risultato dell esperimento: La corrente elettrica non circola nel vetro La corrente elettrica circola nella grafite La corrente elettrica circola nel rame CONCLUSIONE La corrente elettrica non circola con tutti materiali. I materiali in cui si ha la circolazione della corrente elettrica si chiamano CONDUTTORI ELETTRICI. I materiali nei quali non si ha circolazione di corrente si chiamano ISOLANTI.
IL CAMPANELLO ELETTRICO ( Soluzione con materiale strutturato ) Materiale: Basetta Spina a ponte Interruttore Campanello elettrico Batterie 1.5V 2x Esecuzione dell esperimento: - Mettere le batterie nella loro sede sotto la basetta. - Montare i componenti a spina nella basetta. - Lasciare l interruttore aperto. - Chiudere per qualche istante l interruttore e controllare il comportamento del campanello elettrico. Risultato dell esperimento: Ad interruttore chiuso, la corrente elettrica circola attraverso la bobina del campanello e crea un campo magnetico. La bobina attrae un braccio di ferro (armatura) alla cui estremità c è un martelletto che va a colpire il campanello. Contemporaneamente, il movimento dell armatura apre il circuito e la forza dovuta al campo magnetico si annulla. L armatura torna indietro e chiude di nuovo il circuito. I ripetuti colpi del martelletto fanno squillare il campanello. Materiale Modello realizzato
Materiale: 1.Basetta per componenti a spina 2.Spina a ponte 3.Pallina d acciaio 4.Bobina con innesti a spina 5.Batterie 1.5V 2x 6.Interruttore L ELETTROMAGNETE ( 1^ soluzione con materiale strutturato) Esecuzione dell esperimento: Mettere le batterie nella loro sede sotto la basetta. Montare i componenti a spina nella basetta. Inizialmente, lasciare l interruttore aperto. Tenere la basetta con una mano, chiudere l interruttore, mettere la pallina d acciaio sotto la bobina in corrispondenza del nucleo e lasciarla libera. Aprire l interruttore e guardare la pallina. Risultato dell esperimento: La corrente elettrica che circola nella bobina crea un campo magnetico rafforzato dalla presenza del nucleo di ferro. Per questo motivo, all estremità del nucleo si sviluppa una forza più grande della forza del peso della pallina d acciaio. Quando si apre il circuito, il campo magnetico si annulla e l energia potenziale della pallina d acciaio si trasforma in energia cinetica. Materiale Modello
L ELETTROMAGNETE ( 2^soluzione con materiali reperiti dai ragazzi) Occorrente: - Bullone di ferro con dado ( lunghezza cm.8 ) - Filo di rame unipolare isolato ( alcuni metri ) - Batteria da 4,5 volt - Due morsetti a coccodrillo - Forbici, cacciavite, pinze - Assortimento di chiodi, puntine, fermagli Procedimento operativo: 1. avvolgere il filo di rame a spire molto strette intorno al bullone (nucleo), lasciando circa 10 cm. di filo sporgente alle due estremità delle spirali, per fare i collegamenti 2. raschiare con le forbici lo smalto isolante alle due estremità del filo che esce dalla bobina 3. collegare le estremità del filo ai due morsetti coccodrillo 4. collegare un coccodrillo al polo+ e l altro al polo- della batteria (in modo da permettere il contatto del rame con il generatore di corrente elettica ) 5. avvicinare l elettrocalamita ai pezzetti di metallo 6. scollegare un coccodrillo dalla batteria Osservazioni L elettromagnete solleva i pezzetti di metallo, come se fosse un magnete permanente. Scollegando un morsetto, il circuito si apre e l elettromagnete non può più trattenere i pezzetti di metallo, che cadono. Conclusioni Con questa attività operativa abbiamo verificato il fenomeno dell elettromagnetismo, secondo cui un filo elettrico, percorso da corrente elettrico, genera un campo magnetico che viene fortemente potenziato se il filo è avvolto a spirale intorno a un nucleo di ferro. Si può potenziare la forza di attrazione dell elettrocalamita costruita, aumentando l avvolgimento a spirale attorno al bullone, oppure si possono collegare più batterie di pile in serie: avremmo un elettromagnete più potente.
Materiale: -Basetta per componenti a spina -Spina a ponte -Interruttore -Motore con innesti a spina -Batterie 1.5 V 2x IL MOTORINO ELETTRICO (Soluzione con materiale strutturato) Esecuzione dell esperimento: 1.Mettere le batterie nella loro sede sotto la basetta. 2.Montare i componenti a spina nella basetta. 3.Inizialmente, lasciare l interruttore aperto. 4.Chiudere per qualche istante l interruttore ed osservare il funzionamento del motore. 5.Ad interruttore chiuso, spingere leggermente con due dita sulla puleggia del motore ed osservare l effetto prodotto sul suo funzionamento. Risultato dell esperimento: Ad interruttore chiuso, nella bobina (armatura) all interno del motore, si ha una circolazione di corrente che crea un campo magnetico. Solidale alla carcassa del motore (statore), è montato un magnete permanente. Le forze di attrazione e di repulsione tra i due campi magnetici generano il movimento rotatorio dell armatura imperniata sullo statore. Quando il motore funziona sotto carico, il suo numero di giri diminuisce. Motorino con interruttore aperto Motorino con interruttore chiuso