ESPERIMENTI ATOMICI Relazione: Davide Nali, Antonia Marongiu, Anna Buonocore, Valentina Atzori, Maria Sofia Piredda, Giulia Ghiani, Anna Maria Pala, Fosca Cambarau, Eden Viviana Sailis, Sofia Adelaide Taris, Michela Melis, Ilenia Loddo, Mariella Piras, Elisa Tuligi, Giovanna Pinna. Struttura dell atomo Per convenzione, attualmente, si usa rappresentare l atomo come una struttura circolare all interno del quale troviamo il nucleo, diviso in neutroni (privi di carica) e protoni (carica positiva). Esternamente a questo, troviamo delle orbite circolari dove ruotano gli elettroni (carica negativa). Ogni atomo si trova allo stato neutro, in quanto il numero dei protoni e degli elettroni è uguale. Tuttavia è possibile che un atomo possa perdere o acquistare uno o più elettroni. Nel caso in cui acquisti un elettrone si carica negativamente (diventando uno ione negativo) nel caso lo perda, si carica positivamente (diventando uno ione positivo). Per creare energia elettrica ci dev essere differenza di potenziale. Possiamo rappresentare graficamente questo processo in questo modo: 1
I segni meno cerchiati in nero rappresentano gli elettroni in eccesso dell atomo (a destra dell immagine). Questa situazione non garantisce l equilibrio elettrostatico dei due atomi, pertanto i tre elettroni in eccesso dell atomo a destra si trasferiranno nell atomo a sinistra. Questo passaggio, finalizzato a garantire l equilibrio elettrostatico, genera corrente elettrica. I due corpi tendono sempre all equilibrio elettrostatico. Nel caso fossero stati già in equilibrio non avremmo assistito a nessun cambiamento. Questo è il modo per avere una corrente continua, intesa come passaggio di elettroni. Le batterie creano costantemente uno squilibrio elettrostatico che impone agli atomi di ritrovarlo, attraverso lo scambio di elettroni e dunque allo scambio di corrente elettrica. Per questo motivo le batterie vengono chiamate generatori di differenza di potenziale. Il nostro stesso organismo è un conduttore di corrente: se entriamo in contatto con il polo positivo e il polo negativo di un circuito elettrico nello stesso momento, la corrente si propagherà nel nostro organismo attraversandolo senza percepirla. Nel caso entrassimo in contatto con solo 2
uno di essi, avremmo come risultato una scossa elettrica (la carica elettrica entra in contatto con il nostro corpo, ma non ha l opportunità di uscire). I concetti fondamentali da conoscere per eseguire gli esperimenti che seguono sono: - Differenza di potenziale: V ; - La resistenza: R; - L intensità di corrente: I. La differenza di potenziale si misura in volt ed è data dalla formula: V = I R La resistenza si misura in Ohm ed è data dalla formula: R = V! L intensità di corrente si misura in Ampere ed è data dalla formula: I = V R Queste formule indicano che maggiore sarà la resistenza, minore sarà l intensità di corrente. L intensità di corrente è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale ed è inversamente proporzionale alla resistenza: 1 legge di ohm Finalità degli esperimenti successivi: 1. Chiudere un circuito per verificare il passaggio di corrente elettrica; 2. Chiudere un circuito elettrico in serie e verificare la tavola della verità della congiunzione; 3. Chiudere un circuito elettrico in parallelo e verificare la tavola della verità della disgiunzione; 4. Misurazione indiretta della resistenza. 3
Strumenti utilizzati: Diodi (utilizziamo i diodi anche in funzione di interruttori); Resistenze; Cavetti; Generatore di corrente; Tester; Pinzette; Breadboard: uno strumento utilizzato per creare prototipi di circuiti elettrici. La corrente elettrica è il passaggio di elettroni da un atomo ad un altro nel momento in cui due atomi si trovano in una condizione di squilibrio che può 4
essere naturale, oppure indotta dall uomo, creando una differenza di potenziale con l ausilio per esempio di semplici batterie. L intensità di corrente è data dal rapporto tra la quantità di carica che attraversa una sezione del conduttore e l intervallo di tempo impiegato per attraversarla: I= ΔQ/ΔV In un circuito elettrico viene spesa energia elettrica prodotta da un generatore (che crea una differenza di potenziale) per far funzionare un dispositivo: per esempio un diodo. 5
Quando i conduttori di un circuito sono collegati tra loro in maniera continua, il circuito si dice chiuso (non c è interruzione nel percorso delle cariche). Mentre se il circuito si interrompe anche in un solo punto (per esempio con la rottura di un cavo conduttore, di una resistenza o di un interruttore), si parlerà di circuito aperto. 6
Un circuito elettrico può essere configurato in due modi: - Serie: - Parallelo: 7
1 Esperimento: Chiudere un circuito per verificare il passaggio di corrente elettrica; Nel nostro primo esperimento per dar origine al passaggio di corrente abbiamo realizzato un circuito in serie su una breadboard. Le parti laterali (comprese tra la linea rossa e la linea azzurra) presentano un collegamento interno verticale, mentre in quelle centrali il collegamento interno si propaga per via orizzontale. L obiettivo del primo esperimento consiste nell utilizzare la corrente elettrica per far accendere un diodo all interno di un circuito elettrico configurato in serie sulla breadboard indicata nell immagine precedente. Il primo passo consiste nel collegare i due poli del pacco batterie alla breadboard: 8
Il secondo passo consiste nel collegare, attraverso una resistenza, la parte laterale della breadboard con la centrale. 9
Abbiamo utilizzato una resistenza (avremmo potuto utilizzare anche un semplice ponte) perché era necessario mettere in comunicazione le due parti della breadboard che, come abbiamo detto in precedenza, non sono collegate internamente. Il terzo e ultimo passo consiste nell inserire il diodo nella parte centrale della breadboard (questo permette di mettere in comunicazione le due diverse parti centrali separate da un solco e pertanto non collegate alla base) e successivamente utilizzare il ponte per collegare il diodo al polo negativo del pacco batteria. Nell inserimento del diodo è necessario prestare attenzione alla polarità dello stesso (gambetta lunga positivo, gambetta corta negativo). Terminato il collegamento, chiuso il circuito, il diodo si accende. 10
2 ESPERIMENTO: Chiudere un circuito elettrico in serie e verificare la tavola della verità della congiunzione. Nel nostro secondo esperimento per dar origine al passaggio di corrente abbiamo realizzato un circuito in serie su una breadboard. Prima di iniziare a realizzarlo sulla breadboard lo abbiamo disegnato e predisposto la tavola della verità. La tavola della verità del circuito in serie rappresenta la congiunzione. Per essere verifica la congiunzione, entrambi gli enunciati devono essere veri, che in termini matematici si indica con il numero 1 (quando l enunciato è falso si indica con il numero 0). Es. Per avere accesso al master devo avere sia la laurea in scienza della comunicazione che la laurea in scienze dell educazione. Il simbolo della congiunzione è Λ (AND). 11
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Nella foto successiva presentiamo il circuito elettrico realizzato sulla tavola nel quale viene rappresentata la congiunzione (AND). Tutti i diodi (nell esperimento qui realizzato i primi due diodi hanno la funzione di interruttori) sono accesi perché tutte le condizioni sono verificate. Es. Abbiamo accesso al master (diodo ROSSO) perché abbiamo una laurea in scienze della comunicazione (diodo/interruttore VERDE) e una laurea in scienze dell educazione (diodo/interruttore ARANCIO). 13
3 ESPERIMENTO: Chiudere un circuito elettrico in parallelo e verificare la tavola della verità della disgiunzione; Nel nostro terzo esperimento per dar origine al passaggio di corrente abbiamo realizzato un circuito in parallelo su una breadboard. Prima di iniziare a realizzarlo sulla breadboard lo abbiamo disegnato e predisposto la tavola della verità. La tavola della verità del circuito in parallelo rappresenta la disgiunzione. Per essere verifica la disgiunzione, almeno uno dei due enunciati deve essere vero, che in termini matematici si indica con il numero 1 (quando l enunciato è falso si indica con il numero 0). Es. Per avere accesso al master devo avere 14
o la laurea in scienze della comunicazione o in scienze dell educazione. Il simbolo della disgiunzione è V (or). 15
Nella foto successiva presentiamo la realizzazione del circuito elettrico nel quale viene rappresentata la disgiunzione (OR). Colleghiamo la parte laterale della breadboard con la parte centrale attraverso l ausilio di un ponte. 16
Figura 1 Inseriamo nel circuito il primo diodo/interruttore che rappresenta la prima condizione della tavola di verità. 17
Figura 2 Creiamo un secondo ponte e inseriamo il secondo diodo/interruttore che rappresenta la seconda condizione della tavola della verità. In seguito creiamo un ponte tra i poli negativi dei due diodi/interruttori in modo da chiudere in parallelo la prima parte del circuito. 18
Figura 3 Infine chiudiamo definitivamente il circuito collegando con un ponte (utilizzando una resistenza) la parte centrale della tavola al polo negativo del generatore di corrente. 19
Figura 4 20
Nel caso documentato dalla foto, entrambi i diodi/interruttori sono accesi (dunque chiusi). Ciò è dovuto al verificarsi di entrambi le condizioni nella tavola di verità. Es. Abbiamo accesso al master perché abbiamo una laurea in scienze della comunicazione (diodo/interruttore VERDE) e una laurea in scienze dell educazione (diodo/interruttore ROSSO). Questo rappresenta la quarta condizione della tavola della verità (1 1 = 1). Se una delle due condizioni non fosse vera il passaggio di corrente si sarebbe comunque verificato perché l altra condizione risulta vera. Ciò è espresso nella seconda e nella terza condizione della tavola della verità ( 0 1 = 1 / 1 0 = 1). Es. Abbiamo accesso al master perché abbiamo una laurea in scienze della comunicazione (diodo/interruttore VERDE), anche se non abbiamo una laurea in scienze dell educazione (diodo/interruttore ROSSO). Oppure abbiamo accesso al master perché abbiamo una laurea in scienze dell educazione (diodo/interruttore ROSSO), anche se non abbiamo una laurea in scienze della comunicazione (diodo/interruttore VERDE). 4 ESPERIMENTO: Misurazione indiretta della resistenza Calcoliamo la differenza di potenziale attraverso la formula: R = V i Attraverso il tester misuro la corrente e la differenza di potenziale. Collego i cavi del tester ai poli delle batterie e posiziono il tester all altezza di 20 V. 21
V misurata = (3,10 ± 0,01) V Intensità di corrente: (4,45 ± 0,01) A R calcolata =!! =!,!"#!,!"!" ³! = 0,69 10³r = 0,69 KΩ 22
E V =!,!"!,!" = 0,003 i ± i = ( 3,10 ± 0,01) m A Ei misurata =!! =!,!"!,!" = 0,003 Er calcolata =!!"#.!!"#. = E V + E i = 0,003 + 0,003 = 0,006 r calcolata = R cal. E r calc. = 0,69 0,006 KΩ 23