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Buongiorno. Con la lezione di oggi introdurremo i concetti base relativi all'elettricità. Innanzitutto, all'elettricità. L'energia elettrica è una delle forme di energia più utilizzate al mondo, ma vediamo perché. Innanzitutto, deriva dalla trasformazione di altre forme di energia, l'abbiamo già visto nelle lezioni precedenti, come per esempio energia chimica e idraulica, solare, nucleare, è così via.
Quali sono le caratteristiche dell'elettricità? Innanzitutto, è comoda da usare perché la troviamo subito disponibile. Per esempio, se abbiamo bisogno di utilizzare un phon per capelli, basta inserire la spina nella presa e subito l'elettricità è disponibile. È pulita nel senso che non produce polveri o residui con il consumo, però dobbiamo ricordarci che molto spesso non sono puliti e quindi producono, diciamo, inquinamento. I metodi di produzione dell'elettricità, a seconda del tipo di fonte che viene utilizzata, può essere trasportata a grande distanza, può essere facilmente ritrasformata, per esempio, in energia termica e meccanica. Nel senso che quando utilizziamo, per esempio, un frullatore, non facciamo altro che trasformare l'energia elettrica in energia meccanica, o quando utilizziamo il phon per capelli o una piastra per capelli, non facciamo altro che trasformare l'energia elettrica in energia termica. Però l'unico problema è che è difficile da immagazzinare, quindi quando non abbiamo il collegamento diretto alla rete è un po' più difficile, ma vediamo come si può ovviare a questo problema.
Con il termine di elettricità si intendono tutti quei fenomeni fisici nei quali intervengono delle cariche elettriche. Ora vedremo che cosa si intende per cariche elettriche. Le applicazioni industriali sono l'elettrotecnica e anche l'elettronica. Per descrivere quindi cosa sono le cariche elettriche, come si muovono, partiamo dalla struttura elementare della materia, cioè l'atomo. In questo caso vediamo una rappresentazione grafica e quindi un modello che vede la presenza di protoni e neutroni all'interno del nucleo e una serie di elettroni che gravitano intorno a questo nucleo. È giusto sapere che esistono anche altre strutture di atomi, però noi per adesso, siccome il concetto non è molto semplice, prendiamo ad esempio questa. Qual è la caratteristica dell'atomo? Che ci sono una serie di particelle, in questo caso i protoni, che hanno una carica positiva, mentre gli elettroni hanno una carica negativa. Protoni ed elettroni tendono ad attrarsi gli uni con gli altri e vedremo perché. Due corpi, infatti, che possiedono cariche elettriche di tipo opposto si attraggono, mentre due corpi che possiedono cariche uguali si respingono. Da qui la forza elettromagnetica. Nel caso specifico, abbiamo gli elettroni che hanno una carica negativa che tendono ad essere attratti dai protoni presenti all'interno del nucleo e quindi questa forza elettromagnetica li mette in movimento. Quindi abbiamo spiegato che nella struttura elementare della materia sono presenti delle particelle, come quelle degli elettroni, che non sono ferme, ma che comunque si muovono.
Vediamo un po' di storia. Quando l'uomo ha scoperto l'elettricità? Le prime informazioni sulle forze elettriche ci giungono dall'antica Grecia. I Greci scoprirono che l'ambra, se strofinata con un panno di lana, acquistava una sorta di capacità di attrarre dei corpi più leggeri. Fino alla fine del XVII secolo, i fulmini erano ancora percepiti come una manifestazione misteriosa della natura. Più avanti si capì che i fulmini erano dei fenomeni di tipo elettrico. Nel 1750 fu inventata la bottiglia di Leida, una sorta di serbatoio di cariche elettriche. Poi abbiamo successivamente venne inventato il parafulmine, un conduttore elettrizzato munito di una punta che agisce su quelle particelle dell'aria circostante che si elettrizzano e per contatto verranno poi respinte. Galvani, nel 1780, iniziò i suoi primi esperimenti di elettrofisiologia con le rane. Galvani riusciva, attraverso una sorta di circuito elementare, se così vogliamo dire, a mettere in movimento, a creare delle reazioni, contrazioni muscolari nei muscoli delle rane. Fu Alessandro Volta che inventò la pila. In questo caso vediamo appunto la fotografia, dove alternando dei dischetti di argento e stagno, separati da un liquido acido, questi metalli in qualche modo erano in grado di trasportare questa corrente elettrica.
I materiali in cui può avvenire movimento di cariche elettriche si dicono conduttori, mentre le altre si dicono isolanti. Infatti, appunto, è importante sapere che non tutti i materiali sono in grado di condurre elettricità, da qui significa che non tutti i materiali hanno gli elettroni in grado di muoversi. I materiali conduttori più comuni sono i metalli, come argento, rame, alluminio, ma anche corpi, più mi, delle soluzioni di sale, sali. Mentre i materiali isolanti sono il vetro, le materie plastiche, la gomma e il cotone.
Vediamo adesso come funziona un materiale conduttore. Questo è un materiale conduttore. Vedete, ci sono le cariche positive e poi gli elettroni, le cariche negative, che tendono a muoversi liberamente all'interno del corpo. Quando si avvicina un oggetto caricato positivamente, gli elettroni tendono ad avvicinarsi, così come in questo caso. Quando invece si avvicina un oggetto carico negativamente, gli elettroni si allontanano. Nel corpo isolante vediamo che gli elettroni si muovono, ma non hanno la stessa libertà di movimento che avviene nel corpo conduttore. Ovviamente, questa libertà dipende anche dal tipo di materiale isolante, per cui vediamo che sono più o meno fissi rispetto alla loro posizione.
Questa è una GIF carina che spiega perché molto spesso, quando apriamo lo sportello della macchina o quando poi apriamo la porta, prendiamo la scossa. Vediamo che il nostro corpo è caricato positivamente, abbiamo cariche positive e negative. Camminando, tendiamo a far sì che le nostre cariche elettriche negative vengano in qualche modo attratte e quindi il nostro corpo rimane caricato positivamente. A questo punto, questi elettroni, queste cariche positive attireranno gli elettroni che sono presenti sulla porta. Il nostro corpo, gomma, un corpo conduttore, farà in modo che noi prenderemo la scossa.
Adesso dobbiamo spiegare i concetti fondamentali dell'elettricità. Immaginiamo di avere due oggetti conduttori che vengono tenuti separati. Da una parte il corpo B, che è a una mancanza di elettroni, quindi diremo che è caricato positivamente. Da un'altra parte, invece, il corpo A, che ha accumulata una certa quantità di elettroni. Si dice che tra i due oggetti c'è una differenza di potenziale o tensione elettrica. La tensione elettrica viene misurata in Volt. Se colleghiamo i due corpi attraverso un filo conduttore, gli elettroni cominciano a scorrere lungo il filo sotto l'azione di una tensione elettrica. Si stabilisce nel filo una corrente elettrica, quindi un flusso di cariche. La corrente elettrica si misura in Ampere.
Un circuito elettrico elementare è costituito da un generatore elettrico, che è un dispositivo capace di mantenere costante la tensione elettrica (più avanti vedremo cosa e quali sono i generatori), una resistenza, che può essere un utilizzatore, come in questo caso la lampadina, ma può essere anche un frigorifero e così via, un interruttore, che apre e chiude il circuito, e un cavo conduttore. Questa è la rappresentazione grafica di un impianto elettrico. Questo significa il generatore, la pila da questa parte, l'interruttore che apre e chiude il circuito, l'utilizzatore, è la corrente elettrica.
Vediamo la legge di Ohm. La corrente che passa in un filo conduttore è la tensione elettrica tra le due estremità del filo sono direttamente proporzionali. La legge di Ohm, infatti, viene espressa attraverso queste formule. Inoltre, Ohm specifica che la resistenza elettrica di un filo conduttore dipende dal materiale con cui il filo è costruito, dalla lunghezza e dalla sezione del filo conduttore. La resistenza elettrica si misura in Ohm. Ho inserito la foto della stufa proprio perché in questo caso questa rappresenta una resistenza.
Introduciamo anche il concetto di potenza. Guardate il disegno. Da una parte abbiamo il generatore e dall'altra parte abbiamo la resistenza. Questo aggeggio, diciamo così, strumento, serve a misurare la differenza di potenziale e questo serve a misurare l'intensità. Quando le cariche elettriche fluiscono in un circuito sotto l'azione di una tensione elettrica, si libera dell'energia termica. Questa energia termica viene chiamata effetto Joule. Queste sono le formule che regolano la potenza. È la grandezza che indica l'energia liberata per ogni unità di tempo. Appunto, come dicevo prima, è la potenza che si misura in Watt. Queste unità di misura le troviamo sempre accompagnate nel momento in cui compriamo, per esempio, determinati tipi di elettrodomestici o anche le lampadine stesse.
E adesso, se al circuito elementare volessimo aggiungere qualche altra lampadina, bene, possiamo avere due tipi di circuiti. Abbiamo il circuito collegato in serie. La tensione ai capi del gruppo di due lampadine risulta la somma delle tensioni presenti su ciascuna lampadina, quindi questa tensione o differenza di potenziale, mentre l'intensità di corrente che scorre lungo il circuito è sempre uguale. Però, se una lampadina si fulmina, la corrente cessa di scorrere lungo tutto il circuito. Questo è un esempio di questo tipo di collegamento, è quello delle lampadine dell'albero di Natale. Voi stessi confermerete che rotta una lampadina, verranno poi si spegneranno poi tutte le altre. Mentre il collegamento in parallelo, abbiamo la corrente che la pila deve fornire è la somma delle correnti assorbite dalle due lampadine. In questo caso, la differenza di potenziale ai capi è sempre la stessa. Nell'impianto elettrico domestico, tutte le lampade, tutti gli elettrodomestici sono collegati con questo tipo di sistema.
Cosa sono quindi i generatori? Sono dei dispositivi capaci di produrre energia elettrica a partire da una diversa forma di energia, come per esempio meccanica, chimica e luminosa. Nel caso della pila, è un tipo di generatore che utilizza reazioni chimiche per ottenere energia elettrica. È formata da due elementi metallici che vengono chiamati elettrodi, immersi in una soluzione chimica che è l'elettrolita. Tra i due elettrodi si stabilisce una tensione elettrica. Uno vuol dire assume carica positiva e l'altro una carica negativa a causa, appunto, di reazioni chimiche che avvengono all'interno. Quando queste reazioni chimiche cessano, la pila si è scaricata.
Allora, veniamo qui in questa GIF. Questa, diciamo, immaginiamo di avere una pila tra le due parti. Allora vediamo all'inizio c'è una differenza. Ecco, ricomincia. Una differenza di potenziale. Sopra abbiamo, se atomi positivi e sotto abbiamo cinque negativi. Il fatto che su attrazione sia una in più positivo porta gli elettroni, le cariche negative, a muoversi verso il polo superiore. Questo movimento finirà solamente nel momento in cui finiranno gli elettroni all'interno che andranno a neutralizzare le cariche positive. Questo significa che arrivati a quando verranno neutralizzate tutte le cariche, quindi non ci sarà più questa differenza di potenziale, la pila si sarà scaricata. Esistono differenti tipi di pila a seconda della natura degli elettrodi e della soluzione elettrolita che viene utilizzata. Abbiamo le pile a secco, che sono le classiche pile al carbonio, poi abbiamo la pila alcalina con idrossido di potassio e le pile all'ossido di argento. Abbiamo anche altri tipi di generatori, per esempio la batteria al piombo-acido, la batteria agli ioni di litio, la batteria nichel-cadmio.
Allora, cerchiamo di fissare le idee con questo mini test. Che cos'è l'elettricità? Quali sono le sue caratteristiche? Due elettroni si attraggono o si respingono tra di loro? Spiega la differenza tra i materiali conduttori e materiali isolanti. Descrive un circuito elettrico elementare. Cosa sono le pile?
I compiti per casa: riguardare il video della lezione, integrare gli appunti presi in classe e studiare dagli appunti e dal libro da pagina 366 a pagina 373 e completare il mini test iniziato in classe. Buono studio a tutti e ci vediamo in classe con la costruzione di un vero e proprio circuito elettrico.