Indice FISICA E CHIMICA 1 Lavoro ed energia 1 Il lavoro 2 Misuriamo il lavoro 3 Lavoro, forza e spostamento 4 La potenza 5 Il concetto di energia 6 Energia potenziale ed energia cinetica 8 L energia meccanica 10 L energia non si crea né si distrugge 11 Catene energetiche 12 Il degrado energetico 14 DA RICORDARE 15 16 16 2 Fonti energetiche 19 Il Sole, fonte primaria di energia 20 Altre fonti energetiche 22 Le centrali termoelettriche e termonucleari 24 La radioattività 26 Centrali per energia idrica e geotermica 28 Pannelli solari e celle fotovoltaiche 29 Venti e biomassa 30 Per l ambiente Energia e ambiente 32 DA RICORDARE 34 35 35 3 Fra le onde sonore 37 Che cos è un onda? 38 Caratteristiche di un onda 40 Vari tipi di onde 41 Il suono: onde sonore 42 La velocità del suono 44 Caratteristiche del suono: la frequenza 46 L intensità del suono 47 Il timbro 48 La riflessione: eco e rimbombo 49 La risonanza 50 Casse di risonanza 51 Sonar ed ecografia 52 L effetto Doppler 53 Muro del suono e bang supersonico 54 Salute e sicurezza Il rumore è pericoloso 55 DA RICORDARE 56 57 57 4 L elettricità 61 Cariche elettriche ed elettricità 62 Elettricità positiva e negativa 64 L elettrizzazione dei corpi 65 Conduttori e isolanti 66 L elettroscopio 67 La corrente elettrica 68 La pila, un generatore di corrente 70 I circuiti elettrici 71 Le grandezze elettriche 72 I fulmini, elettricità nell atmosfera 74 Che cos è e come funziona il parafulmine? 75 Salute e sicurezza Sicuri con la corrente elettrica 76 Per l ambiente Il problema energetico 77 DA RICORDARE 78 IV
79 79 5 Il magnetismo 81 Magneti e poli magnetici 82 I magnetini elementari 84 La forza magnetica 85 La magnetizzazione 86 Il magnetismo terrestre 87 La bussola magnetica 88 L elettromagnetismo 89 L elettrocalamita 90 L induzione elettromagnetica 91 La levitazione magnetica 92 Storia delle scienze Il magnetismo diventa scienza 93 DA RICORDARE 94 95 95 6 Luce e radioonde 97 Le onde elettromagnetiche 98 La luce 100 Fenomeni luminosi 102 La riflessione e le sue leggi 103 Immagini allo specchio 104 Le rifrazioni e le sue leggi 106 Rifrazione, lenti e immagini 108 Lo spettro luminoso 110 La visione dei colori 112 Le radioonde 113 Le trasmissione radiofoniche 114 L anno luce 116 Miraggio e fata morgana 117 La luce laser 118 Storia delle scienze Una storia travagliata 119 DA RICORDARE 120 121 121 IL SISTEMA TERRA 7 La Terra e il suo satellite 125 Il moto di rotazione 126 Il moto di rivoluzione 128 Le quattro stagioni 130 La Luna 132 L origine della Luna 134 Il movimenti della Luna 135 Le fasi lunari 136 Le maree 137 Eclissi di Luna e di Sole 138 Il Sole a mezzanotte 140 Storia delle scienze La Terra ruota, e le prove? 141 DA RICORDARE 142 143 143 8 La Terra dalle origini a oggi 147 La struttura interna della Terra 148 Le origini della Terra 150 L attuale conformazione della Terra 152 Wegener porta le prove 154 L espansione dei fondali oceanici 155 La tettonica a zolle 156 Quando le zolle si allontanano 157 Quando le zolle si avvicinano 158 Il movimento delle zolle 160 La formazione delle catene montuose 161 V RCS Libri S.p.A. - Divisione Education, Milano
DA RICORDARE 162 163 163 9 Terremoti e vulcani 165 Fenomeni sismici o terremoti 166 Le onde sismiche 168 Il sismografo 169 Misuriamo un terremoto 170 I vulcani 172 Tipi di vulcani 174 Fenomeni pseudovulcanici 176 Il bradisismo 178 Studiare i terremoti per capire la Terra 179 Per l ambiente I vulcani in Italia 180 Pericolo tsunami 182 Il più distruttivo degli tsunami 184 Salute e sicurezza Terremoti, come difenderci? 186 DA RICORDARE 188 189 189 BIOLOGIA: I VIVENTI 10 I grandi ambienti della Terra 193 La varietà degli ecosistemi 194 Zone climatiche e biomi 196 I biomi terrestri 198 Bioma polare e tundra 200 Taiga e foresta decidua 201 La foresta equatoriale 202 Savana e prateria 203 La macchia 204 Il deserto 205 Il bioma marino 206 Il bioma di acqua dolce 208 I pesci abissali 210 Per l ambiente Per uno sviluppo sostenibile 211 Aree protette e zonazione 212 DA RICORDARE 213 214 214 11 Il comportamento degli animali 217 Etologia, scienza del comportamento 218 Istinto e apprendimento 219 Vari tipi di apprendimento 220 L imprinting 222 Il linguaggio degli animali 224 La ricerca del partner 226 Le cure parentali 227 La difesa del territorio 228 Le società temporanee 229 Una perfetta vita sociale 230 Salute e sicurezza Rispettiamo i nostri animali 232 Storia delle scienze L etologia, una storia recente 233 DA RICORDARE 234 235 235 12 Origine ed evoluzione della vita 237 Nasce la vita 238 Dalle origini a oggi 240 L ipotesi più attendibile 241 Le ere geologiche 242 Darwin: evoluzione per selezione 244 VI
Speciazione e isolamento geografico 246 I fossili, tracce della vita 247 L albero della vita 248 L evoluzione dei vertebrati 250 Lamarck, l evoluzione prima di Darwin 252 Perché i dinosauri sono scomparsi? 254 Storia delle scienze Da Aristotele a Redi e a Pasteur 256 Dalla teoria fissista all evoluzione 258 Il cavallo, una storia di 60 milioni di anni 259 DA RICORDARE 260 261 261 BIOLOGIA: L UOMO 13 Sistemi di controllo 263 Il neurone, una particolare cellula 264 Il sistema nervoso centrale 266 L encefalo 267 Il midollo spinale 268 I lobi cerebrali 269 Il sistema nervoso periferico 270 Il sistema neurovegetativo 271 La trasmissione degli impulsi 272 A salvaguardia del sistema nervoso 274 Il sistema endocrino 276 La regina delle ghiandole 278 Le disfunzioni ghiandolari 279 Evoluzione del sistema nervoso 280 La memoria 282 I sogni 283 DA RICORDARE 284 286 286 14 Gli organi di senso 291 I recettori degli stimoli 292 Il gusto 293 L olfatto 294 Il tatto 295 L occhio e il senso della vista 296 Alterazioni della funzione visiva 298 A salvaguardia degli occhi 299 L orecchio e il senso dell udito 300 A salvaguardia dell orecchio 302 Visione binoculare e punto cieco 303 DA RICORDARE 304 305 305 15 Il sistema immunitario 309 Sistemi di difesa 310 La difesa aspecifica 311 Difesa specifica e risposta immunitaria 312 Immunità, vaccinazione e sieroterapia 314 Salute e sicurezza Trapianti e rigetto 316 Storia delle scienze L immunologia, da Jenner a Koch 317 DA RICORDARE 318 319 319 16 L apparato riproduttore 321 La riproduzione 322 L apparato riproduttore maschile 323 L apparato riproduttore femminile 324 Spermatozoi e ovuli 325 Il ciclo ovarico 326 Gli ormoni e il ciclo ovarico 327 La gravidanza 328 VII
Sviluppo embrionale e fetale 330 Il parto 332 A salvaguardia dell apparato riproduttore 333 Gravidanze gemellari 334 La diagnosi prenatale 335 Le cellule staminali 336 Salute e sicurezza AIDS, una pericolosa malattia 338 DA RICORDARE 340 341 341 17 Ereditarietà e genetica 345 L ereditarietà dei caratteri 346 Le leggi di Mendel 348 Cromosomi, mitosi e meiosi 350 Geni e alleli 352 La genetica e Mendel 354 Il DNA 356 Il codice genetico 358 La duplicazione del DNA 359 La sintesi proteica 360 Le mutazioni 362 L ereditarietà nell uomo 364 Il colore degli occhi 366 Malattie ereditarie legate al sesso 368 La dominanza incompleta 369 Ingegneria genetica e biotecnologie 370 La clonazione 372 Storia delle scienze Nasce l era genomica 373 DA RICORDARE 374 375 375 18 L evoluzione della specie Homo 379 Comparsa ed evoluzione dei primati 380 Gli ominidi 381 Gli Australopitechi 382 Dall Homo habilis all Homo erectus 383 Dall Homo erectus all Homo sapiens moderno 384 L Homo sapiens moderno, noi 386 Per l ambiente Quale futuro? 388 DA RICORDARE 389 390 390 VIII
FISICA E CHIMICA PREREQUISITI Conoscere la struttura della materia 4 OBIETTIVI DI APPRENDIMENTO Ciò che saprai Il concetto di carica elettrica Il significato di elettricità positiva e negativa I metodi di elettrizzazione Il significato di conduttore e isolante Il concetto di corrente elettrica Il significato di circuito elettrico Le principali grandezze elettriche e le loro unità di misura L elettricità Ciò che saprai fare Distinguere i vari tipi di elettrizzazione Distinguere tra conduttori e isolanti Costruire un circuito elettrico Distinguere e misurare le varie grandezze elettriche Percorso di studio Per far funzionare qualsiasi elettrodomestico usiamo la corrente elettrica. Ma che cos è questa corrente elettrica? Cariche elettriche ed elettricità Elettricità positiva e negativa L aspirapolvere che papà usa in macchina funziona con le pile. Ma come funziona una pila? Cosa c è dentro che crea corrente elettrica? Conduttori e isolanti La corrente elettrica L elettrizzazione dei corpi I circuiti elettrici Bisogna stare attenti alla corrente elettrica, può essere pericolosa. Perché? L elettroscopio La pila, un generatore di corrente I fulmini, elettricità nell atmosfera Che cos è e come funziona il parafulmine? Sicuri con la corrente elettrica Il problema energetico Le grandezze elettriche
FISICA E CHIMICA Cariche elettriche ed elettricità Come sappiamo, l energia elettrica è la forma di energia più sfruttata nelle nostre case, dove quasi tutto ciò che ci circonda funziona grazie all elettricità. Ma che cos è l elettricità? Per trovare la risposta iniziamo con l osservare un fenomeno che sicuramente conosci. Una biro di plastica strofinata con un panno di lana diventa capace di attirare dei pezzettini di carta. Come mai la biro acquista questa forza di attrazione? E qualsiasi altro corpo si comporta come la biro? Verifichiamolo con un esperimento. Per strofinio si creano forze di attrazione Procurati tre bacchette di plastica, una di vetro e un panno di lana. Strofina con il panno di lana due bacchette di plastica e appendile con un filo di cotone a dei sostegni. Strofina adesso con il panno di lana quella di vetro e avvicinala a quella di plastica appesa. Poi strofina con il panno di lana l altra bacchetta di plastica e avvicinala all altra di plastica appesa. Che cosa osservi? Avvicinando la bacchetta di vetro a quella di plastica, questa resta ferma, si avvicina o si allontana? E quando avvicini la bacchetta di plastica a quella di plastica, succede la stessa cosa? plastica vetro plastica plastica La bacchetta di plastica, quando le avvicini quella di vetro, ruota avvicinandosi; quando le avvicini quella di plastica, ruota allontanandosi. Puoi dedurre che per strofinio nelle bacchette si creano delle forze che possono essere di tipo attrattivo fra corpi di sostanze diverse (plasticavetro), repulsivo fra corpi della stessa sostanza (plastica-plastica). Diciamo che per strofinio i corpi acquisiscono una proprietà, detta stato elettrico, per cui acquistano una forza repulsiva o attrattiva dovuta alla formazione di cariche elettriche. 62
L elettricità 4 Come possiamo spiegarci l origine di queste cariche elettriche? Consideriamo la costituzione atomica della materia. Come sai, in un atomo troviamo i protoni, con carica elettrica positiva, e gli elettroni, con carica elettrica negativa. Poiché il numero dei protoni è uguale a quello degli elettroni, l atomo risulta elettricamente neutro. Le varie sostanze sono, quindi, elettricamente neutre e si mantengono tali se nessun fattore esterno sbilancia il rapporto protoni-elettroni. Ecco infatti che cosa succede per strofinio nella bacchetta di vetro, in quella di plastica e nel panno di lana. elettrone protone neutrone La bacchetta di vetro e il panno di lana sono elettricamente neutri. cariche positive cariche negative Strofinando il vetro con la lana, alcuni elettroni passano dagli atomi del vetro a quelli della lana. In questo modo, negli atomi del vetro si ha un numero di protoni maggiore di quello degli elettroni e la bacchetta di vetro risulta carica positivamente. Gli atomi della lana, invece, hanno acquistato elettroni, quindi il panno di lana risulta carico negativamente. Anche la bacchetta di plastica e il panno di lana sono elettricamente neutri. Possiamo quindi dire che l elettricità consiste in una variazione dell equilibrio protoni-elettroni degli atomi di un corpo, che si manifesta in seguito a un trasferimento di elettroni. cariche positive cariche negative Strofinando la plastica con la lana, alcuni elettroni passano dagli atomi della lana a quelli della plastica. In questo modo è la bacchetta di plastica che risulta carica negativamente, mentre il panno di lana risulta carico positivamente. 63 RCS Libri S.p.A. - Divisione Education, Milano
FISICA E CHIMICA Elettricità positiva e negativa È lo sbilanciamento di protoni-elettroni degli atomi che porta quindi un corpo a diventare elettricamente positivo o negativo. L elettricità o le cariche elettriche possono, cioè, essere positive o negative. Che cosa succede fra corpi che diventano elettricamente positivi o negativi? Corpi con cariche elettriche dello stesso segno si respingono. Corpi con cariche elettriche di segno contrario si attraggono. plastica plastica vetro plastica vetro vetro Diciamo che: Esistono due tipi di cariche elettriche, o di elettricità: elettricità positiva () ed elettricità negativa (). Corpi con cariche elettriche dello stesso segno si respingono, corpi con cariche di segno contrario si attraggono. SE HAI IMPARATO Scrivi vero o falso accanto a ciascuna affermazione. La materia complessivamente è elettricamente neutra. Cariche elettriche entrambe negative si attraggono. L elettricità consiste in una variazione dell equilibrio protoni-elettroni. Due cariche elettriche, una positiva e una negativa, si attraggono. 64
L elettrizzazione dei corpi L elettricità 4 In che modo possiamo elettrizzare un corpo, cioè alterare l equilibrio protoni-elettroni dei suoi atomi? Il metodo più semplice è quello che abbiamo appena esaminato, l elettrizzazione per strofinio. Un altro metodo è l elettrizzazione per contatto, che si realizza mettendo a contatto un corpo elettricamente carico ( o ) con uno neutro da elettrizzare. Quest ultimo si caricherà dello stesso segno e manterrà tale elettrizzazione per contatto in modo permanente. Verifichiamolo. Elettrizzazione per contatto Costruisci un pendolino elettrico legando con del filo di seta una pallina di sughero a un sostegno. Elettrizza per strofinio una bacchetta di vetro e con questa tocca la pallina di sughero. Che cosa osservi? La pallina resta ferma, viene respinta o attirata dalla bacchetta di vetro? La pallina viene respinta dalla bacchetta di vetro. Ne puoi dedurre che, per contatto, la bacchetta ha elettrizzato la pallina con una carica dello stesso segno () e quindi adesso i due corpi si respingono. sughero vetro Un altro metodo ancora è l elettrizzazione per induzione, che si realizza avvicinando un corpo carico a uno neutro. Quest ultimo si caricherà di segno opposto e manterrà tale elettrizzazione per induzione in modo temporaneo, solo finché è vicino al corpo carico. Verifichiamolo. Elettrizzazione per induzione Usando sempre un pendolino elettrico, avvicina alla pallina di sughero, senza toccarla, la bacchetta di vetro elettrizzata prima per strofinio. Che cosa osservi? La pallina resta ferma, viene respinta o attirata dalla bacchetta di vetro? La pallina viene attratta dalla bacchetta di vetro. Ne puoi dedurre che, per induzione, la bacchetta ha elettrizzato la pallina con cariche di segno opposto () e quindi adesso i due corpi si attraggono. sughero vetro In realtà, la pallina è ancora complessivamente neutra, però al suo interno le cariche elettriche si sono ridistribuite. Nella parte vicina alla bacchetta carica positivamente vengono attirati gli elettroni e respinti i protoni. Nella pallina si crea quindi una separazione di cariche, per cui essa risulta elettricamente positiva da una parte ed elettricamente negativa dall altra, finché non viene allontanata la bacchetta. 65
FISICA E CHIMICA Conduttori e isolanti Le cariche elettriche di cui abbiamo parlato sono cariche che si accumulano e restano ferme nel corpo elettrizzato; si parla infatti più esattamente di cariche elettrostatiche. Nei vari corpi, secondo il materiale di cui sono fatti, le cariche elettriche si possono spostare più o meno liberamente. I corpi in cui le cariche si spostano con difficoltà si dicono isolanti elettrici: in essi le cariche elettriche restano quasi intrappolate al loro interno. Sono isolanti l ambra, il vetro, la ceramica, il legno, le resine, la seta, la grafite ecc. I corpi in cui le cariche si spostano invece con facilità si dicono conduttori elettrici. Sono conduttori i metalli, in particolare l argento e il rame, la grafite, le leghe, l acqua non pura, le soluzioni di acidi, basi e sali, il nostro corpo, la terra ecc. Elettrizzando per strofinio una forchetta interamente di metallo, le cariche elettriche si disperdono immediatamente perché passano nel terreno attraverso il nostro corpo che è un conduttore. La forchetta infatti non attira i pezzetti di carta. In una forchetta con l impugnatura di plastica invece le cariche non si disperdono ma rimangono nella parte metallica della forchetta perché la plastica è un isolante. La forchetta attira infatti i pezzetti di carta. terreno cariche elettriche Ecco perché gli strumenti che usa l elettricista (il cacciavite, le forbici ecc.) hanno il manico di plastica, perché è opportuno stirare su un asse di legno, perché sui tralicci che sostengono i fili delle linee elettriche sono presenti le porcellane a campana, o perché i fili elettrici sono di rame, rivestiti di gomma o plastica. 66
Qualcosa di più L elettroscopio P er rilevare se un corpo è elettrizzato o meno, esiste uno strumento, l elettroscopio, il cui funzionamento è basato sull elettrizzazione per contatto o per induzione. L elettroscopio è costituito da un asta metallica che reca attaccate all estremità inferiore due sottili lamine di metallo in grado di muoversi. Questa asta è racchiusa in un contenitore di vetro la cui apertura è chiusa da un tappo isolante che termina con una sferetta di metallo. Toccando questa sferetta con il corpo in cui si vuole constatare la presenza di cariche elettriche, si possono presentare due casi: le lamine attaccate all asta metallica non si muovono: in questo caso il corpo è elettricamente neutro; le lamine si allontanano tra di loro: in questo caso il corpo è elettrizzato e, per contatto, elettrizza con cariche dello stesso segno le due lamine che quindi si respingono. P er verificare quanto abbiamo detto, proviamo a fabbricarci un elettroscopio. Procurati un pettine di plastica, un panno di lana, un barattolo vuoto con tappo di sughero, del filo di ferro e della carta stagnola. Infila il filo di ferro nel tappo di sughero, piegane un estremità a gancio e l altra, quella che fuoriesce dal tappo, ad anello. Posa adesso, a cavallo del gancio, una striscia di carta stagnola e chiudi il barattolo con il tappo: l elettroscopio è pronto. Strofina il pettine con il panno di lana in modo da elettrizzarlo e tocca con esso l anello di filo di ferro dell elettroscopio. Vedrai le due estremità della striscia di carta stagnola allontanarsi tra loro. Il pettine ha infatti elettrizzato per contatto il filo di ferro e la striscia di carta stagnola; le estremità di questa, essendo elettrizzate dello stesso segno, come abbiamo detto, si respingeranno. Il comportamento dell elettroscopio è lo stesso sia se tocchiamo l anello di filo di ferro con un corpo elettricamente positivo sia se lo tocchiamo con uno elettricamente negativo. Questo strumento infatti permette di rilevare la presenza di cariche elettriche ma non di distinguere se queste sono positive o negative. 67
FISICA E CHIMICA La corrente elettrica Ifenomeni elettrici che abbiamo osservato sono dovuti a cariche elettrostatiche che, come abbiamo visto, restano ferme nella zona in cui sono state prodotte, o al più passano in breve tempo da un corpo a un altro; essi sono detti infatti fenomeni di elettricità statica. Come sai, però, l elettricità che utilizziamo percorre distanze anche enormi per arrivare dalle centrali in cui è prodotta fino alle nostre città e poi alle nostre case. Per utilizzare l elettricità abbiamo quindi bisogno di cariche elettriche che scorrano senza interruzione e in modo continuo all interno di conduttori adatti; abbiamo cioè bisogno della corrente elettrica. Diciamo che: flusso di elettroni corrente elettrica La corrente elettrica è elettricità in movimento, ovvero un flusso di elettroni che si muove in modo ordinato attraverso un conduttore. Ma che cosa fa muovere ordinatamente le cariche elettriche, ovvero gli elettroni, all interno di un conduttore? Per capirlo ricordiamo un fenomeno simile, il principio dei vasi comunicanti. I due recipienti contenenti acqua comunicano attraverso una valvola. Se la apriamo, l acqua scorre dal recipiente con il livello più alto a quello con il livello più basso e tale corrente d acqua si arresta quando nei due recipienti si ha lo stesso livello d acqua. valvola flusso d acqua Se vogliamo mantenere continuo il flusso dell acqua, dobbiamo far sì che fra i due recipienti si mantenga sempre un certo dislivello. Ad esempio, con un congegno idraulico reimmettiamo l acqua nel primo recipiente in modo che in esso si abbia sempre un livello d acqua maggiore. 68
L elettricità 4 In modo analogo si ottiene la corrente elettrica, ovvero il flusso ordinato e continuo di cariche elettriche attraverso un conduttore. Basta creare una differenza di livello fra lo stato elettrico di due corpi collegando con un conduttore, ad esempio un corpo con elettroni in eccesso, polo negativo, e uno con elettroni in difetto, polo positivo. flusso di elettroni conduttore corrente elettrica polo negativo polo positivo Gli elettroni si muoveranno ordinatamente dal polo negativo al polo positivo, creando così quel flusso che è la corrente elettrica che, per convenzione, si dice che va dal polo positivo al polo negativo. Il livello elettrico di un corpo prende il nome di potenziale elettrico; il dislivello elettrico fra due corpi, ovvero la differenza di livello elettrico, prende il nome di differenza di potenziale elettrico o tensione. Possiamo constatare il passaggio di corrente elettrica fra due corpi a diverso potenziale elettrico. Fra un corpo carico positivamente e uno carico negativamente collegati da un conduttore, quale un filo metallico, si genera una corrente elettrica. Infatti inserendo una piccola lampadina lungo il filo, questa si accenderà. Si spegnerà però subito dopo perché il passaggio di corrente elettrica cesserà appena fra i due corpi si sarà stabilito lo stesso potenziale. Per avere un flusso continuo di ca riche elettriche bisognerà mantenere una dif - ferenza di potenziale fra i due conduttori. A tale scopo si usano i generatori di corrente elettrica, dispositivi capaci di mantenere ai loro estremi una differenza di potenziale che non si annulla (almeno in breve tempo) quando gli estremi stessi vengono collegati con un filo conduttore. 69
Qualcosa di più La pila, un generatore di corrente Modello originale della pila di Volta. panno con soluzione acida polo positivo L e comunissime pile sono dei generatori di corrente il cui lavoro è proprio mantenere la differenza di potenziale fra due poli. Il primo generatore di corrente elettrica della storia è la pila che Alessandro Volta inventò agli inizi dell Ottocento. Egli costruì una colonna formata da coppie di dischi di rame e di zinco impilate le une sulle altre e separate con un disco di panno imbevuto di acido solforico diluito; costruì quindi proprio una pila, da cui il nome. Poiché zinco e rame, a contatto con la soluzione acida, si caricano l uno negativamente e l altro positivamente, si creava una piccola differenza di potenziale per ogni coppia di dischi. Agli estremi della pila, quindi, tale differenza di potenziale risultava la somma di quella di tutte le coppie. Volta quindi collegò attraverso un filo di rame il disco di zinco all estremità superiore della pila con il disco di rame all estremità inferiore e ottenne così un passaggio continuo di corrente elettrica che circolava dal polo positivo (il rame) al polo negativo (lo zinco), per ritornare al polo positivo dopo aver attraversato l interno della pila. Le moderne pile, dette pile a secco o pile Leclanché (dal nome del loro inventore), sono abbastanza diverse dalla storica pila di Volta, ma sfruttano lo stesso principio. In una pila a secco la soluzione acida, scomoda e pericolosa, è sostituita da biossido di manganese impregnato di cloruro di ammonio. Lo zinco è ancora il polo negativo e costituisce il contenitore della pila stessa; il rame è invece sostituito da un bastoncino di carbone che è il polo positivo. cloruro di ammonio miscelato con pasta d amido e farina contenitore di zinco contenitore esterno polo negativo polo negativo Schema della pila di Volta. pasta di biossido di manganese Moderne pile e batterie. elettrodo di carbone strato sigillante filtro di carta o tela polo positivo 70
I circuiti elettrici L elettricità 4 Se colleghiamo un filo conduttore a una pila, possiamo quindi creare un flusso costante di elettroni, ovvero una corrente elettrica, che viene utilizzata facendola circolare in un circuito elettrico. Un circuito elettrico è un percorso chiuso in cui circola corrente perché ai suoi estremi è presente una differenza di potenziale. lampadina (utilizzatore) filo conduttore Esso è costituito da un generatore di corrente, un filo conduttore, un utilizzatore, ad esempio una lampadina, un motorino ecc., e da un dispositivo, l interruttore, che permette in qualsiasi momento di interrompere o meno il flusso di corrente elettrica. 4,5 V pila interruttore Per rappresentare un circuito, si usano i seguenti simboli: utilizzatore interruttore pila circuito chiuso interruttore L interruttore abbassato rende continuo il filo conduttore (circuito chiuso). In un circuito chiuso circolerà corrente elettrica. 4,5 V circuito chiuso circuito aperto interruttore L interruttore alzato interrompe il filo conduttore (circuito aperto). In un circuito aperto non circolerà corrente elettrica. 4,5 V circuito aperto 71
FISICA E CHIMICA Le grandezze elettriche conduttore sezione Quali grandezze entrano in gioco in un circuito elettrico? Un circuito può essere attraversato da una quantità di corrente più o meno grande, ovvero da un flusso di elettroni, o cariche elettriche, più o meno intenso. Immaginando di sezionare il filo conduttore del circuito, potremmo constatare l intensità del flusso di cariche elettriche contando il numero di elettroni che attraversano la sezione in quel momento. Tale numero ci indicherebbe quindi la quantità di corrente elettrica che sta attraversando il circuito, cioè l intensità (i) della corrente elettrica. L intensità della corrente elettrica (i ) è data dalla quantità di cariche elettriche (q) che attraversa la sezione di un conduttore nell unità di tempo (t ): i = q/t. 4,5 V La sua unità di misura è l ampere (A), che corrisponde al numero di cariche elettriche che attraversa la sezione di un conduttore in un secondo. Lo strumento che misura l intensità della corrente elettrica è l amperometro. Derivata da questa grandezza è la quantità di cariche elettriche presente in un conduttore, cioè la carica, ovvero il numero di elettroni che attraversano effettivamente il conduttore. Se i = q/t, possiamo dire che q = i t. La quantità di cariche elettriche presente in un conduttore è la carica della corrente elettrica che attraversa il conduttore. La sua unità di misura è il coulomb (C), che rappresenta la carica elettrica che in un secondo attraversa un conduttore la cui intensità di corrente è di 1 ampere. Il numero esatto di elettroni che formano la carica di un coulomb è un numero enormemente elevato. I fisici hanno misurato la carica di un elettrone, e, e hanno scoperto che: e = 1,60 10 19 coulomb Il numero di elettroni che formano la carica di 1 coulomb è quindi: 1 coulomb = 1 = 1 10 19 = 6,25 10 18 1,60 10-19 1,60 72
L elettricità 4 Il movimento degli elettroni, come sappiamo, è dovuto alla differenza di potenziale agli estremi di un conduttore. Tale differenza di potenziale, o tensione, rappresenta il lavoro necessario per spingere gli elettroni attraverso il conduttore. La differenza di potenziale fra i due poli di un conduttore è il lavoro che la corrente elettrica che attraversa il conduttore compie per trasportare una unità di carica. La sua unità di misura è il volt (V), che rappresenta la tensione esistente fra i due poli di un generatore che compie il lavoro di 1 joule per trasportare la carica di 1 coulomb da un punto all altro del conduttore. Il volt è una unità di misura che sicuramente conosci perché per comprare una pila bisogna specificare di che tensione la si vuole. Le normali pile hanno tensioni da 1,5 V a 4,5 V o anche 9 V, tensioni molto basse e quindi non pericolose; la tensione che c è nei fili della rete elettrica di casa è invece di 220 V ed è in grado di uccidere un uomo. 9 V Lo strumento che misura la differenza di potenziale è il voltmetro. In un circuito la corrente elettrica percorre il conduttore con un intensità che dipende anche dalla facilità o meno con cui il conduttore stesso si lascia attraversare. Questa facilità o meno di lasciarsi attraversare dalla corrente, detta resistenza elettrica (R), è caratteristica di ogni conduttore in quanto dipende dalle proprietà fisiche e geometriche del conduttore stesso. La resistenza elettrica di un conduttore esprime quantitativamente la tendenza del conduttore stesso a ostacolare la corrente elettrica che in esso circola. La sua unità di misura è l ohm (Ω), che rappresenta la resistenza incontrata dalla corrente di 1 ampere in un conduttore ai cui estremi esiste la tensione di 1 volt. Lo strumento che misura la resistenza elettrica è l ohmetro. 73
Notizie e curiosità I fulmini, elettricità nell atmosfera L elettrizzazione per strofinio e per induzione sono alla base di uno spettacolare quanto pericoloso fenomeno, il fulmine, che sicuramente avrai osservato durante un temporale. Che cosa succede esattamente? All interno delle nuvole, per strofinio tra le gocce d acqua e la polvere atmosferica, si formano delle cariche elettriche positive e negative: quelle positive nella parte superiore delle nuvole, quelle negative nella parte inferiore. Il terreno sottostante, per induzione, si carica positivamente, e ciò causa una potente forza di attrazione tra le nuvole e la superficie terrestre. Quando la differenza di potenziale fra queste due parti raggiunge valori molto elevati (circa 1 milione di volt), nelle nuvole incomincia a svilupparsi un intensa corrente di cariche negative che vengono attratte da quelle positive della superficie terrestre. È a questo punto che inizia il viaggio verso la terra della scarica elettrica: il fulmine. Ogni fulmine è composto da una serie di scariche che avanzano molto velocemente; quando esse giungono, con una velocità di circa 80000 km/s, a 50-100 m dal suolo, dalla terra parte il lampo principale che sale verso la nube a una velocità di circa 40 000 km/s, trasportando con sé l eccesso di cariche positive del suolo. Questo lampo, che va dalla terra verso le nubi, generando una luce accecante con diramazioni e tortuosità, è il vero fulmine che poi, arrivato alla nube, si scarica ancora verso terra. L atmosfera attraversata dal fulmine si riscalda fino a 15000 C e nella brusca espansione esplosiva dà luogo al caratteristico fragore del tuono, udibile fino a 10-20 km di distanza. 74
Notizie e curiosità Che cos è e come funziona il parafulmine? L invenzione del parafulmine si deve a uno scienziato statunitense, Benjamin Franklin. Esso è un asta metallica posta al di sopra degli edifici e collegata a terra da un grosso conduttore di rame. L elettricità negativa portata dalle nuvole induce, sulla punta del parafulmine, delle cariche positive. Si crea così una forza di attrazione tra queste cariche e quelle atmosferiche per cui il fulmine si scarica attraverso la punta del parafulmine che, a sua volta, scarica il fulmine a terra attraverso il conduttore metallico prima che esso possa provocare gravi danni alle cose, alle persone e agli animali. Attento studioso della natura dei fulmini, Franklin inventò il parafulmine sfruttando un importante proprietà dei conduttori, il potere disperdente delle punte. In che cosa consiste questo potere disperdente delle punte? È stato provato che un conduttore non si elettrizza in modo uniforme in tutte le sue parti: le cariche elettriche infatti si distribuiscono di preferenza sulla superficie esterna. Ma non solo: sulla superficie esterna le cariche elettriche tendono a disporsi nelle parti in cui il corpo ha delle curvature più accentuate, quali punte e spigoli. Corpi che presentano punte o spigoli tendono, di conseguenza, a neutralizzarsi più facilmente e velocemente, in quanto le cariche accumulate proprio nelle punte tendono a neutralizzarsi con le cariche elettriche sempre presenti nell aria circostante. Se il conduttore dotato di punta è caricato positivamente, attirerà le cariche negative circostanti che si neutralizzeranno su di esso e disperderà quelle positive. Queste ultime vengono sospinte creando come una corrente d aria, detta vento elettrico, che è capace di deviare o addirittura spegnere la fiamma di una candela posta vicino alla punta. Questo fenomeno è detto potere disperdente delle punte. 75
Salute e sicurezza Sicuri con la corrente elettrica L energia elettrica è la forma di energia più sfruttata nelle nostre case, dove quasi tutto ciò che ci circonda funziona grazie all energia elettrica. Se osserviamo il mondo di casa nostra, ci accorgiamo che gli oggetti che più comunemente usiamo dipendono proprio dall energia elettrica: il televisore, la radio, il lettore cd, il computer, le lampade, un qualsiasi elettrodomestico. Questa insostituibile energia, purtroppo, può essere pericolosa. La tensione con cui arriva nelle nostre case è di 220 volt e ciò, come abbiamo detto, può causare seri pericoli. Se infatti con questa intensità attraversa il nostro corpo che, come sai, è un conduttore, provoca la cosiddetta "scossa elettrica", che può essere mortale. Il pericolo è grave: per una distrazione o un imprudenza si rischia di rimanere folgorati e tante persone muoiono nelle proprie case per l elettricità. Come essere sicuri in casa nell utilizzare la corrente elettrica? Ecco alcune fondamentali regole. Non usare mai elettrodomestici quando si è in acqua o a piedi scalzi in posti bagnati. Non usare elettrodomestici con i cavi sfilacciati. Per riparare un elettrodomestico, anche per cambiare una semplice lampadina, staccare la corrente. Staccare gli elettrodomestici senza tirare il filo, ma impugnando la spina. Non attaccare più apparecchi a una stessa presa. Non introdurre mai punte metalliche nelle prese di corrente. 76
Per l ambiente Il problema energetico L energia elettrica è prodotta nelle varie centrali elettriche che sfruttano, soprattutto le centrali termoelettriche, come fonti energetiche combustibili fossili o elementi radioattivi. Queste fonti, come sai, sono destinate a esaurirsi in tempi più o meno brevi, e inoltre sono causa di inquinamento ambientale. L enorme consumo, e quindi la richiesta di energia, ha ormai raggiunto livelli altissimi e sta causando un forte degrado ambientale in tutto il nostro pianeta. Abbiamo visto come ciò sia causa di inquinamento e di fenomeni devastanti quali piogge acide, effetto serra, e di preoccupanti conseguenze per il nostro organismo. I l problema energetico riveste una grande importanza sociale di cui ci stiamo rendendo conto forse con alquanto ritardo. Che cosa possiamo fare noi, nel nostro piccolo? Una cosa semplicissima ma di fondamentale importanza: "risparmiare energia". Vediamo insieme come è possibile. Riduciamo la temperatura delle nostre abitazioni: 18-20 C sono più che sufficienti di giorno, mentre di notte possiamo abbassarla ancora di qualche grado. Evitiamo le fughe di calore isolando i sottotetti, le finestre e i piani che danno su luoghi aperti o su cantine. Puliamo periodicamente le caldaie, mettiamo a punto i bruciatori e isoliamo le tubazioni e la caldaia stessa. Installiamo valvole termostatiche che riducono automaticamente il calore. Evitiamo l uso di scaldabagni elettrici, stufe elettriche e forni elettrici, ma diamo preferenza a quelli alimentati a metano o a gas. Sostituiamo le tradizionali lampade per l illuminazione con quelle a risparmio energetico che durano di più e consentono un risparmio di circa l 80%. Limitiamo l uso delle automobili e dei motorini andando a piedi o in bicicletta o utilizzando il trasporto pubblico. 77
FISICA E CHIMICA Per strofinio i corpi acquisiscono una proprietà, detta stato elettrico, per cui acquistano una forza repulsiva o attrattiva dovuta alla formazione di cariche elettriche. L elettricità consiste in una variazione dell equilibrio protoni-elettroni degli atomi di un corpo che si manifesta in seguito a un trasferimento di elettroni. Esistono due tipi di di elettricità: elettricità positiva () ed elettricità negativa (). Corpi con cariche elettriche dello stesso segno si respingono, corpi con cariche di segno contrario si attraggono. L elettrizzazione per contatto si realizza mettendo a contatto un corpo elettricamente sughero carico ( o ) con uno neutro da elettrizzare. Quest ultimo si vetro caricherà dello stesso segno e manterrà tale elettrizzazione per contatto in modo permanente. L elettrizzazione per induzione si realizza avvicinando un corpo carico a uno neutro. Quest ultimo si caricherà di segno opposto e manterrà tale elettrizzazione per induzione in modo temporaneo. I corpi in cui le cariche si spostano con difficoltà si dicono isolanti elettrici. I corpi in cui le cariche si spostano invece con facilità si dicono conduttori elettrici. La corrente elettrica è elettricità in movimento, ovvero un flusso di elettroni che si muove in modo ordinato attraverso un conduttore. Il livello elettrico di un corpo prende il nome di potenziale elettrico; il dislivello elettrico fra due corpi, ovvero la differenza di livello elettrico, prende il nome di differenza di potenziale elettrico o tensione. Un circuito elettrico è un percorso chiuso in cui circola corrente perché ai suoi estremi è presente una differenza di potenziale. Esso è costituito da un generatore di corrente, un filo conduttore, un utilizzatore e un dispositivo, l interruttore, che permette in qualsiasi momento di interrompere o meno il flusso di corrente elettrica. L intensità della corrente elettrica (i) è data dalla quantità di cariche elettriche (q) che attraversa la sezione di un conduttore nell unità di tempo, t : i = q /t. La sua unità di misura è l ampere (A), che corrisponde al numero di cariche elettriche che attraversano la sezione di un conduttore in un secondo. La quantità di cariche elettriche presente in un conduttore è la carica della corrente elettrica che attraversa il conduttore. La sua unità di misura è il coulomb (C), che rappresenta la carica elettrica che in un secondo attraversa un conduttore la cui intensità di corrente è di 1 ampere. La differenza di potenziale fra i due poli di un conduttore è il lavoro che la corrente elettrica che attraversa il conduttore compie per trasportare una unità di carica. La sua unità di misura è il volt (V), che rappresenta la tensione esistente fra i due poli di un generatore che compie il lavoro di 1 joule per trasportare la carica di 1 coulomb da un punto all altro del conduttore. La resistenza elettrica di un conduttore esprime quantitativamente la tendenza del conduttore stesso a ostacolare la corrente elettrica che in esso circola. La sua unità di misura è l ohm (Ω), che rappresenta la resistenza incontrata dalla corrente di 1 ampere in un conduttore ai cui estremi esiste la tensione di 1 volt. 78
L elettricità 4 Ricopiale su un quaderno con il loro significato. Elettricità Stato elettrico Elettrizzazione Isolanti elettrici Conduttori elettrici Corrente elettrica Potenziale elettrico Circuito elettrico Intensità Carica elettrica Differenza di potenziale Resistenza Cio Ciò che sai 1. Che cosa si intende per stato elettrico di un corpo? 2. In che cosa consiste l elettricità di un corpo? 3. Scrivi vero o falso accanto a ciascuna affermazione. a) L origine delle cariche elettriche è un trasferimento di protoni. b) Esistono due tipi di elettricità: elettricità positiva ed elettricità negativa. c) Corpi con cariche elettriche dello stesso segno si attraggono. 4. Descrivi i tre modi con cui si può elettrizzare un corpo. 5. Quando un corpo si dice isolante e quando conduttore elettrico? 6. Che cosa si intende per corrente elettrica? 7. Completa le seguenti frasi. a) La corrente elettrica, per convenzione, va dal polo al b) Il livello elettrico di un corpo prende il nome di c) Si chiama differenza di potenziale d) I generatori di corrente elettrica sono dispositivi capaci di 8. Che cos è un circuito elettrico? Da che cosa è costituito? 9. Definisci le grandezze elencate e indicane le unità di misura. a) Intensità di corrente. b) Differenza di potenziale. c) Carica elettrica. d) Resistenza. Cio Ciò che sai fare 10. Spiega che cosa mettono in evidenza le due figure. panno di lana bacchetta di vetro righello di plastica panno di lana a) b) 79
FISICA E CHIMICA 11. Osserva queste coppie di corpi elettrizzati. Quali si attraggono e quali si respingono? a) Si b) Si c) Si 12. Le tre figure rappresentano i tre metodi di elettrizzazione; individuali e descrivili. a) b) c) 13. Osserva le due figure. Il cacciavite è stato strofinato con un panno di lana e poi avvicinato a dei pezzettini di carta. Perché nella prima figura attrae i pezzettini di carta e nella seconda no? 14. Utilizzando un circuito elettrico, puoi provare se un corpo è isolante o conduttore? Se sì, descrivi in che modo. 15. Nello schema di circuito riprodotto a fianco, metti in evidenza le diverse parti di cui è formato. 16. Osserva i circuiti sotto rappresentati: in ciascuno di essi è stato commesso un errore che ne impedisce il funzionamento. Individualo e scrivilo nell apposito spazio. a) b) c) 80