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Tibone, Facciamo scienze © Zanichelli editore 2011

Tema A – Capitolo 11 – L’elettricità e il magnetismo

1. Le forze elettriche

2. La corrente elettrica e i circuiti

3. La resistenza elettrica e le leggi di Ohm

4. Le forze magnetiche

5. L’elettromagnetismo

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Le forze elettriche

Fate a pezzettini

un foglio di carta.

Poi strofinate un oggetto

di plastica o di vetro

su un maglione di lana.

Se ora avvicinate

l’oggetto strofinato

ai pezzetti di carta,

che cosa succederà?

L’oggetto strofinato

attira la carta

ed è in grado di sollevarla.

Questo pettine è stato elettrizzato per strofinio

e ora esercita una forza elettrica sulla carta.

Indice

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Le forze elettriche

La forza elettrica

agisce a distanza.

Infatti basta che l’oggetto

elettrizzato si avvicini

ai pezzettini di carta,

senza toccarli,

perché essi sentano

la forza di attrazione.

Ogni oggetto elettrizzato

crea intorno a sé un

invisibile campo di forza:

il campo elettrico.

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Le forze elettriche

Le forze elettriche possono essere attrattive oppure repulsive

• elettricità positiva:

è quella acquistata

per strofinio

dalle sostanze

come il vetro

• elettricità negativa:

è quella acquistata

per strofinio

dalle sostanze

come la plastica

Gli oggetti elettricamente carichi

si respingono se la loro elettricità è dello stesso tipo,

ma si attraggono se la loro elettricità è di tipo opposto.

la plastica e il vetro

elettrizzati si attraggono

due fogli di plastica elettrizzata

si respingono

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Le forze elettriche: da dove hanno origine?

penna di plastica

strofinata

Quando si strofina contro la lana

un oggetto di plastica, alcuni

elettroni degli atomi della lana

si trasferiscono sulla plastica.

Così la plastica

si carica negativamente.

bottiglia

di vetro

strofinata

Quando si strofina contro la lana

un oggetto di vetro, alcuni

elettroni degli atomi del vetro

si trasferiscono sulla lana.

Così il vetro

si carica positivamente.

elettrone

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I conduttori e gli isolanti

isolanti elettrici = sostanze

in cui le cariche in eccesso

si muovono con difficoltà

conduttori elettrici = sostanze

in cui le cariche in eccesso

si spostano facilmente

isolanti conduttori

Indice

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Ma perché la carta che è

neutra, cioè non elettrizzata,

risente dell’attrazione elettrica

della plastica e del vetro?

L’elettrizzazione per induzione

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L’elettrizzazione per induzione

Indice

Il campo elettrico induce

la separazione delle cariche, perciò

si parla di induzione elettrica.

bottiglia di vetro

strofinata

Nei due casi le cariche sono opposte,

ma il risultato finale è lo stesso:

l’oggetto e la carta si attraggono.

penna di plastica

strofinata

L’oggetto strofinato genera intorno

a sé un campo elettrico.

Quando la carta si trova nel campo

elettrico, le cariche elettriche

dentro la carta si ridistribuiscono.

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La corrente elettrica

Che cosa tiene

accesa questa

lampada?

La corrente elettrica!

È un flusso

di elettroni

degli atomi

nel filo conduttore.

Gli elettroni migrano

tutti nella stessa

direzione.

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Un circuito idraulico per aiutare a capire la corrente elettrica

Per l’elettricità l’equivalente del livello del liquido è il potenziale elettrico.

Un oggetto carico ha un potenziale elettrico tanto maggiore quanto

più grande è il numero delle cariche elettriche in esso accumulate.

La pompa trasferisce liquido da destra a sinistra, mantenendo il dislivello

tra i recipienti.

pompa

pressione

maggiore

pressione

minore

Così nel tubo in basso il liquido continua a scorrere.

flusso del liquido

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conduttore

La corrente elettrica

Tra i due oggetti c’è una differenza di potenziale elettrico,

chiamata anche tensione elettrica.

potenziale elettrico minore potenziale elettrico maggiore

Quando gli oggetti sono collegati da un conduttore,

gli elettroni del conduttore si spostano per annullare

la differenza di potenziale: si ha allora una corrente elettrica.

corrente elettrica

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pompa

pressione

minore

flusso del liquido

pressione

maggiore

I generatori di tensione

Per mantenere

il dislivello tra i recipienti,

e quindi il flusso del

liquido nel tubo in basso,

occorre una pompa.

potenziale

elettrico minore

potenziale

elettrico maggiore

conduttore

corrente elettrica

Per mantenere la

differenza di potenziale,

e quindi la corrente

elettrica nel conduttore,

occorrerà un

generatore di tensione.

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I generatori di tensione

Per mantenere una corrente elettrica occorre un generatore di tensione.

Il primo generatore di tensione è

stato la pila costruita a Pavia da

Alessandro Volta a inizio Ottocento.

la pila di Volta Tra ogni coppia di dischetti si forma

una piccola differenza di potenziale.

I contributi di tutte le coppie si sommano,

così agli elettrodi della pila si ha una

tensione più consistente.

elettrodo positivo (anodo)

panno con

soluzione acida

elettrodo

negativo

(catodo)

zinco rame

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generatore di tensione

interruttore

utilizzatori

I circuiti elettrici

Se si dispone di un generatore di tensione, si può creare un circuito elettrico.

In un circuito la corrente di elettroni si muove

dall’elettrodo negativo verso quello positivo.

circuito

chiuso

la lampadina si accende

nel circuito passa corrente

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Costruire un generatore di tensione «vegetale»

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La resistenza elettrica e l’effetto Joule

Ogni conduttore oppone una resistenza al passaggio della corrente elettrica al proprio interno.

La resistenza elettrica è dovuta

all’attrito tra gli elettroni e gli

atomi del reticolo cristallino

del conduttore.

Come ogni forma di attrito,

anche la resistenza elettrica

libera calore e perciò

riscalda il conduttore.

Questo è l’effetto Joule

su cui si basa il funzionamento

delle lampadine a filamento.

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La prima legge di Ohm

collegando in serie due pile,

la tensione raddoppia e la

lampadina emette più luce

L’intensità della corrente i

in un conduttore

è direttamente proporzionale

alla tensione elettrica V

e inversamente proporzionale

alla resistenza R del conduttore.

prima legge di Ohm: i = V

R

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Se si misura la corrente e si conosce la resistenza, allora la tensione è data da:

V = R x i

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La seconda legge di Ohm

un filo conduttore più lungo,

a parità di sezione,

ha resistenza maggiore

filo di rame

filo lungo di rame

un filo conduttore più spesso,

a parità di lunghezza,

ha resistenza minore

filo di rame

filo spesso di rame

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La resistenza R di un conduttore

è direttamente proporzionale alla sua lunghezza L

e inversamente proporzionale alla sua sezione s. R = r

L

s

seconda

legge di Ohm:

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La seconda legge di Ohm

R = r L

s

seconda

legge di Ohm: Il coefficiente r è chiamato resistività;

dipende dal materiale di cui è fatto il conduttore.

La resistività del rame è minore di quella del ferro.

Perciò il rame è un conduttore elettrico migliore rispetto al ferro.

filo di rame filo di ferro

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Le unità di misura delle grandezze elettriche

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L’elettrolisi

Se i due elettrodi sono immersi

in acqua distillata, cioè pura H2O,

il circuito rimane aperto:

non circola corrente.

Invece se nel recipiente si mette

acqua salata, il circuito si chiude

e passa corrente.

Come mai?

catodo anodo

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L’elettrolisi

Nell’acqua il cloruro di sodio (NaCl)

si dissocia in ioni positivi (Na+)

e ioni negativi (Cl–).

catodo anodo

Gli ioni Na+ sono attratti dal catodo,

che è l’elettrodo negativo.

Gli ioni Cl– sono attratti dall’anodo,

che è l’elettrodo positivo.

Si ha così l’elettrolisi:

nel circuito passa corrente elettrica .

Sul catodo si forma una patina di sodio,

mentre all’anodo si libera cloro gassoso.

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La corrente elettrica nei gas

Durante i temporali le nubi si caricano di elettricità

e si crea una tensione elettrica tra nubi e terreno.

All’improvviso l’aria diventa conduttrice: le sue molecole si ionizzano

e un’intensa corrente elettrica attraversa l’aria, producendo il fulmine.

che cosa provoca

i fulmini?

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Le forze magnetiche

La forza magnetica di una

calamita agisce anche

attraverso il vetro.

La calamita attrae soltanto gli

oggetti che contengono certi

metalli: ferro, nichel o cobalto.

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Le forze magnetiche Ogni calamita ha due poli chiamati nord (N) e sud (S).

N S S N

S N S N

i poli dello stesso tipo si respingono

i poli di tipo opposto si attraggono

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Le forze magnetiche I due poli di una calamita sono inseparabili.

N S

S N S N

S N S N S N S N

Se si spezza un magnete si formano altri magneti,

ciascuno con due poli opposti.

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Le forze magnetiche

polo nord magnetico

polo sud magnetico polo sud geografico

polo nord geografico

L’ago magnetico di una bussola si orienta sempre nella direzione nord-sud.

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Se si avvicina un magnete

a una bussola, l’ago devia.

Il campo magnetico

della calamita predomina

su quello terrestre.

Le forze magnetiche

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Le forze magnetiche

Strofinate un grosso

ago di ferro su una

calamita, poi fissatelo

a un oggetto che

galleggia sull’acqua.

Avrete una bussola

fatta in casa: l’ago farà

ruotare il galleggiante

per orientarsi nella

direzione nord-sud.

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Visualizzare il campo magnetico

Mettete una calamita sotto

un foglio di cartoncino su cui

avete sparso un po’

di limatura di ferro.

I minuscoli pezzi di ferro

si orienteranno

visualizzando la struttura

del campo magnetico

della calamita.

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L’elettromagnetismo

circuito aperto a circuito aperto l’ago della bussola

è orientato nella direzione nord-sud

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Questa esperienza dimostra che la corrente elettrica genera un campo magnetico.

Le cariche elettriche in movimento generano sempre un campo magnetico.

a circuito chiuso l’ago della bussola

ruota e diventa perpendicolare

al filo in cui passa la corrente

circuito chiuso

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Tre modi per magnetizzare oggetti metallici che contengono ferro

per strofinio

per contatto

Indice

per induzione

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Le due estremità di un solenoide

sono collegate a un amperometro.

Il magnete è fermo;

l’amperometro indica

che nel circuito

non passa corrente.

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Se si fa muovere

rapidamente

il magnete

dentro il solenoide,

l’amperometro mostra

che nel circuito

passa corrente.


Le due estremità di un solenoide

sono collegate a un amperometro.

Induzione elettromagnetica:

un magnete in movimento genera sempre un campo elettrico

e può indurre perciò una corrente elettrica in un circuito.

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La dinamo della bicicletta funziona

grazie al fenomeno dell’induzione

elettromagnetica.

magnete

che ruota

solenoide

corrente

ai fari

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Le onde elettromagnetiche

L’elettromagnetismo è fondamentale per le telecomunicazioni.

Facendo variare il flusso degli

elettroni, si produce un’oscillazione

simultanea del campo elettrico

e del campo magnetico.

Così l’antenna emette

onde elettromagnetiche

che possono trasportare

informazioni a distanza.

elettroni che

oscillano su e giù

onde

elettromagnetiche

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Lo spettro delle onde elettromagnetiche

Tutte le onde elettromagnetiche dello spettro:

• sono prodotte dai campi elettrico e magnetico che oscillano insieme

• si propagano anche nel vuoto

• viaggiano alla velocità della luce

energia crescente lunghezza d’onda crescente

raggi gamma raggi X ultravioletto infrarosso microonde onde radio

luce visibile

esplosione

di supernova

radiografia lampada

UV

lampadina foto all’IR cottura a

microonde

telecomunicazioni

Indice

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