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Un po' di storia: le cariche elettriche. Pi di duemila anni fa i greci erano rimasti colpiti dalle caratteristiche dell'am-bra, una resina prodotta da alcuni alberi e induritasi col tempo. Dopo averla strofinata con un panno di lana, essa acquista la propriet di attrarre corpi leg-geri (pezzetti di paglia, piccoli semi) che si trovano nelle sue immediate vici-nanze. La parola elettricit deriva dal greco elektron, che vuol dire appunto ambra. Le cariche elettriche sono rappresentate dalle particelle cariche dellatomo: - Gli elettroni, portatori di una carica negativa - I protoni, portatori di una carica positiva. I neutroni non portano nessuna carica.

Costo dell'elettricit. Noi inizieremo il nostro viaggio alla scoperta di questa ormai indispensabile fonte di energia partendo proprio da una cosa molto comune (ma non certo gra-dita):

la fattura per la fornitura di elettricit!

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La fattura per la fornitura di energia. Ecco un esempio di fattura per la fornitura di energia elettrica. Alcune posizioni sono facilmente comprensibili, altre sono invece poco chiare! Ma come proce-de la societ fornitrice per stabilire l'importo che dobbiamo pagare?

Il prezzo dellenergia elettrica viene calcolato in base agli scatti rilevati dal contatore. - di giorno (06.00-22.00) il prezzo di 14,9 ct - di notte (22.00-06.00) il prezzo di 8,9 ct Viene riscossa anche una tassa di abbona-mento fissa! (49. ogni sei mesi).

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Quanto costa. far funzionare per un certo tempo uno dei nostri apparecchi elettrici? Ovviamente dipende dallapparecchio! Come visto lazienda elettrica a cui facciamo capo, periodicamente ci invia una fattura per la fornitura di energia. Per calcolare limporto dovuto si deve proce-dere alla lettura del contatore che si trova in ogni casa o appartamento.

Per meglio comprendere il suo fun-zionamento leggiamo attentamente la targhetta e proviamo a far funzio-nare diversi apparecchi collegandoli alla rete elettrica attraverso il conta-tore.

Penso che funzioni cos ...

Ogni 2400 giri Del disco il con-tatore avanza di 1 scatto (kWh)

Il disco rotante si mette in movimento quando viene inserito un apparecchio elettrico. Ogni 2400 giri il visualizzatore aumenta di 1 kWh. 1 kWh costa 14,9 ct di giorno e 8,9 ct di notte! (kWh : unit di misura per lenergia!)

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Quali apparecchi necessitano di tanta energia elettrica? Il disco metallico rotante e le cifre del contatore girano con velocit diversa a dipendenza dell'apparecchio stiamo utilizzando. Facciamo una semplice esperienza:

Facciamo bollire un litro di acqua e annotiamo le seguenti misure: tempo impiegato in se-

condi; quanti giri ha compiuto il

disco del contatore; leggiamo anche le indica-

zioni tecniche riportate sul bollitore ad immer-sione.

Indicazioni tecniche del bollitore

Tempo impiegato per far bollire l'acqua

Giri compiuti dal disco del contatore

Altre osservazioni

220Volt / 1000 Watt

Circa 6 minuti

40 al minuto; 240 in 6 minuti

2400 giri = 1 kWh -> 14,9 ct 240 giri = 0,1 kWh -> circa 1,5 ct Far bollire 1litro di acqua del rubinetto costa cir-ca 1,5 ct!

T iniziale acqua: 20 C T finale: 100 C

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La potenza. Dopo aver oscurato laula, illuminiamola con differenti lampadine inserite su un portalampa-de da tavolo (vedi illustrazione). Anche in questa occasione colleghiamo il por-talampada alla rete attraverso il contatore. Come varia la luce emessa dalle varie lampadi-ne? Quanti giri compie il disco del contatore in un minuto? Completa la tabella leggendo anche quali indi-cazioni tecniche troviamo sulla lampadina stes-sa o sul suo imballaggio.

Lampadina 1 Lampadina 2 Lampadina 3

Indicazioni tecniche

Giri del contatore (in un minuto)

Luce emessa

220V / 60 W 220V / 25 W 220V / 100 W

DEBOLE MEDIA FORTE

Meno di 1 2 giri 4 giri

Maggiore la potenza (espressa in Watt) dell-apparecchio, pi elevato sar il costo per farlo funzionare! Abbiamo provato con una lampadina a basso consumo con una luminosit simile a quella di una lampadina classica da 60W: consuma po-chissimo! Il disco ruotante si muove in modo lentissimo! Molto meno di 1 giro al minuto!

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Potenza degli elettrodomestici pi comuni. Ogni apparecchio elettrico provvisto di una targhetta con lindicazione delle sue caratteristiche tecniche. Nella tabella sottostante riporta tali valori per alcuni degli apparecchi elettrici che vengono regolarmente usati a casa tua.

Apparecchio Tensione Volt

Potenza Watt

Osservazioni

Televisore 220/250 90 Penso che farlo funzio-nare costi POCO!

Asciugacapelli 220 1200 MEDIO!

Lampada 220 100 POCO!

Aspirapolvere 220 1100 MEDIO!

Lavatrice 220/380 2200 MOLTO!

Lettore DVD 220 20 POCO!

Boiler 220/380 2400 MOLTO!

Computer port. 110/220 Max 90 POCO!

Micro-onde 220 1100 MEDIO!

Stufa cucina 220/380 2000 MOLTO!

Gli apparecchi elettrici pi golosi di energia sono quelli riscaldanti (boiler, stufa, )! Gli apparecchi elettronici (computer, DVD, ) sono invece piuttosto economici.

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Esercizio 1. Ora che abbiamo capito come viene calcolato limporto da versare alla societ elettrica e quanto costa lenergia necessaria per far funzionare per un certo tem-po un apparecchio, rechiamoci nellaula di informatica e con EXCEL realizzia-mo il seguente lavoro: - Foglio Excel che calcoli lammontare della fattura partendo dalle indicazioni fornite dal contatore.

Abbiamo chiesto informazioni riguardo la "Tassa sulla potenza". Noi pensavamo che si trat-tasse di una tassa calcolata in base alla potenza massima degli apparecchi installati in una casa Ebbene no! In pratica si tratta di un aumento del prezzo di 1 kWh! Indipendentemente dal fatto che si tratti di energia fornita di giorno o di notte, al prezzo del kWh viene semplice-mente aggiunto un sovrapprezzo di 2.3 centesimi!

=D5 + D6

Fisso!

=D8*2.3/100

=D5*G5/100

=D6 * G6/100

=D10+D12+D14+D16

=D18*7.6/100

=D18 + D20

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Esercizio 2. Calcola, per la tua regione, il costo medio dell'energia elettrica e prepara il se-guente lavoro: - Foglio Excel che permetta di calcolare quanto costa far funzionare un appa-recchio per un'ora. Quante ore pu funzionare lo stesso apparecchio con 1 fr?

Produzione e trasporto dellelettricit. Da dove proviene lelettricit che utilizziamo? Come visto, nella vita di tutti i giorni siamo confrontati con innumerevoli appa-recchi che per il loro funzionamento necessitano di elettricit. Una rapida analisi ci permette di identificare tre possibili mezzi per ottenerla:

100000/(C6*C2) C6/1000 * C2/100

Ricorda: 1 kW = 1000W 1 fr = 100 ct

Pila elettrica (talvolta ricaricabile)

Celle fotovoltaiche (collettori solari)

Rete di distribu-zione

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Conduttori ed isolanti. Per giungere nelle nostre case lelettricit necessita di una linea di trasporto. Tutti i materiali sono adatti per il trasporto della corrente elettrica? Per scoprir-lo utilizziamo una semplice lampadina collegata a una pila. Interrompiamo il collegamento ed inseriamo materiali diversi lungo il circuito. Se il materiale esaminato lascia passare la corrente anche la lampadina si ac-cender.

Materiale SI/NO

Legno NO

Ferro SI

Rame SI

Plastica NO

Cartone NO

Vetro NO

Alluminio SI

Stagno SI

I materiali che permettono il passaggio della corrente elettrica si chiamano CONDUTTORI. Quelli che non lasciano passare lelettricit si chiama-no invece ISOLANTI. I migliori conduttori dellelettricit sono i METALLI. (i migliori in assoluto sono largento e il rame)

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La pila. La pila un sistema elettrochimico che consente di trasformare lenergia chimi-ca in energia elettrica. La prima pila fu ideata da Alessandro Volta nel 1799. La pila di Volta era for-mata da coppie di dischi di zinco e di rame sovrapposti e separati da dischetti di panno imbevuti di una soluzione di acido solforico.

Utilizzando gli stessi materiali impie-gati da Alessandro Volta costruiamo la nostra pila. Colleghiamo ora le piastrine metalliche a un piccolo motore.

Prova ora ad intercalare un numero maggiore di piastrine di metallo.

Alessandro Volta:

Il motore, alimentato dalla nostra pila, comincia a gira-re! Con un numero maggiore di piastrine (4) la velocit di rotazione aumenta notevolmente. Se invertiamo i collegamenti il motore gira nel senso inverso.

Volta Alessandro (Como 1745-1827), fisico italiano, da cui prese il nome l'unit di misura della differenza di po-tenziale elettrico, il volt. Divenuto professore di fisica alla Scuola Reale di Como, lo scienziato mise a punto la co-siddetta "pila di Volta", una sorta di antenata della batteria elettrica, composta di una serie di piastre di ferro e zinco alternate con pezzi di stoffa imbevuti di una soluzione sa-lina, che produceva un flusso di elettricit costante.

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La cella fotovoltaica . Nei luoghi discosti, ma anche per far funzionare piccoli apparecchi elettronici, lelettricit originata da celle fotovoltaiche meglio conosciute come "pannelli solari". Una cella fotovoltaica in grado di convertire lenergia luminosa in energia e-lettrica. Proviamo a far funzionare il nostro motore elettrico con una cella fotovolatica:

La rete di distribuzione dellelettricit . La maggior parte dei nostri apparecchi funziona per grazie allelettricit che giunge nelle nostre case grazie alla rete di distribuzione. Ma cosa ci sar "dietro" la banalissima presa di corrente che si trova anche al tuo posto di lavoro? Prova a risalire la rete di distribuzione fino al punto dove lelettricit ha origi-ne!

La cella fotovoltaica forni-sce elettricit a sufficien-za per far girare il motore. Se copriamo la cella il mo-tore si ferma!

???????

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Ecco una possibile soluzione:

Cos questo strano appa-recchio?

Lenergia elettrica proviene da una centrale dove viene prodotta. Attraverso dei cavi viene poi trasportata a tut-te le abitazioni, fabbriche, ...

Il GENERATORE di elet-tricit una macchine che viene messa in mo-vimento dalla rotazione di una ruota provvista di pale che a sua volta viene fatta ruotare dal-lacqua.

???

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Eccolo! Si tratta proprio del comune "alternatore da bicicletta"! Permette di produrre la corrente elettrica necessaria per l'impianto di illuminazione della bici. Ma come funziona? Il miglior sistema per scoprire come funziona aprire uno di questi strani apparecchi...

Facciamo ancora una volta un salto nel passato: nel 1831 il fisico inglese Michael Faraday scopr un in-teressante fenomeno: quando allinterno di una bo-bina di filo conduttore si muove una calamita, nel filo della bobina si origina una corrente elettrica!

In laboratorio possiamo riprodurre facilmente l'esperienza di Faraday. Colleghiamo i due capi di una lunga bobina di filo di rame a uno strumento di misura che indica il passaggio di corrente elettrica (microamprometro) e muo-viamo una calamita diritta avanti e indietro all'interno della bobina.

Lalternatore da bicicletta un generatore di corrente elettrica mosso dalla ruota della bici. Al suo interno troviamo poche cose: un lungo filo avvol-to attorno a un nucleo e una calamita che gira attorno ad esso. (In alcuni modelli la calamita fissa e ruota il filo con il suo nucleo)

Lago dellamprometro si muo-ve! Significa che nel filo viene generata una corrente elettri-ca. Non cambia nulla se invece del-la calamita si muove la bobina di filo.

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L'alternatore da bicicletta. Che a muoversi sia la calamita o la bobina di filo poco importa! Il risultato sempre il medesimo: nel filo scorre una corrente elettrica. Il comune alternatore da bicicletta quindi un generatore di corrente elettrica e pu essere costruito in diversi modi. Ecco lo schema di un possibile modello:

Proviamo a costruirlo con il materiale a nostra disposizione e verifichiamo il suo buon funzionamento.

Sospendere con un elastico u-na calamita ad U in modo che possa ruotare; Posizionare il gioco di ferro con la bobina qualche mm sot-to la calamita; Collegare la bobina al micro-amprometro e far ruotare la calamita!

La ruota trasmette il mo-vimento al perno; La calamita a U ruota a qualche mm di distanza dal nucleo di ferro; Nel filo si forma una cor-rente elettrica.

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Effetto calorico della corrente elettrica. La corrente elettrica non visibile, per contro i suoi effetti sono facilmente os-servabili. Realizziamo la seguente esperienza: Colleghiamo al generatore di corrente un filo di tungsteno avvolto in modo da formare alcune spire. Aumentiamo molto lentamente la tensione elettrica fornita dal generatore ed osserviamo cosa accade:

Il filo si riscalda! Se conti-nuiamo ad aumentare la ten-sione il filo diventa incande-scente e brucia!

In casa abbiamo moltissimi apparec-chi elettrici il cui funzionamento si basa sulleffetto calorico. Fondamentale per la sicurezza la funzione di un piccolo elemento di cui molti sottovalutano lestrema im-portanza (vedi illustrazione). Di cosa si tratta? A cosa serve e come funziona?

Allinterno del fusibile di sicurezza c un filo di tungsteno che porta la corrente da une-stremit allaltra. Se la corrente troppo elevata il filo brucia interrompendo la corrente stessa.

Il fusibile di sicurezza.

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Circuiti elettrici. Analogia con il circuito idraulico. Si pu paragonare la corrente elettrica al flusso dellacqua attraverso dei tubi. In questa analogia la batteria la pompa che spinge lacqua, i fili conduttori corrispondono ai tubi nei quali scorre lacqua e linterruttore funziona in modo analogo al rubinetto.

La pompa idraulica che solleva lacqua fino a un certo livello, nel circuito elettrico rappresentata da un generatore di "dislivello elettrico", ad esempio una pila. Il dislivello elettrico o differenza di potenziale elettrico si misura in volt (V).

La portata, cio quanta acqua passa nel tubo ogni secondo, nel circuito elettrico si chiama "intensita elettrica" e si misura in ampere (A). Misurare lintensit elettrica equivale quindi a "contare" quante cariche elettriche passano nel filo ogni secondo!

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Simboli elettrici. Per rappresentare i circuiti elettrici si impiegano simboli che rappresentano i vari componenti. Ecco i pi usati:

Gene ra -tore

Interrut-tore

Lampadi-na

Resisten-za

Fusibile

Diodo

Collega-mento

Collega-mento T

Collega-mento +

Collega-mento L

+

-

Per la costruzione dei nostri cir-cuiti abbiamo a disposizioni degli elementi modulari con il simbolo corrispondente stampato sulla fac-cia superiore!

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lampadina

interruttore/deviatore

fili di colle-gamento

generatore

diventa:

Il seguente circuito, formato da una batteria (generatore), una lampadina (utilizzatore), un interruttore/deviatore e dei fili conduttori.

Naturalmente la disposizione dei vari componenti pu variare! Seguendo il circuito, ad es. partendo dal generatore, si deve tornare al generatore! (circuito chiuso!).

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Collegamento in serie e in parallelo. Gli apparecchi elettrici si possono collegare al generatore nei seguenti modi: - collegamento in serie:

analogia con il circuito idraulico

analogia con il circuito idraulico

- collegamento in parallelo:

Lanalogia con il circuito idraulico mostra chiara-mente che il flusso (portata) il medesimo per i due utilizzatori. Ognuno di essi sfrutta per solo u-na parte del dislivello totale

In questo caso il dislivello identico per i due uti-lizzatori che per si suddividono la portata del conduttore principale.

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Costruzione di un circuito con due lampadine in serie.

Costruzione di un circuito con due lampadine in parallelo.

Le due lampadine e-mettono una luce piuttosto forte. Ogni lampadina pu essere accesa e spenta sin-golarmente. Svitando una lampadina la se-conda resta accesa.

Descrizione:

Le due lampadine e-mettono una luce piuttosto debole. Un solo interruttore le spegne entrambe. Svi-tando una lampadina si spegne anche la se-conda.

Descrizione:

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Accensione e spegnimento da due punti diversi. Nelle nostre case incontriamo sovente la necessit di poter accendere e spegne-re la stessa lampadina da due punti differenti (ad esempio alle due estremit di un lungo corridoio). Proviamo a costruire un circuito simile!

Una protezione: il fusibile di sicurezza. Per proteggere gli apparecchi elettrici da indesiderati sbalzi di tensione (ad e-sempio duranti i temporali), si inserisce un fusibile di sicurezza. Come fare?

Il fusibile di sicu-rezza deve essere inserito IN SERIE e brucia quando la corrente supera un determinato valore interrom-pendo il circuito.

Descrizione:

Il collegamento il-lustrato permette di accendere la lampadina da due posizioni.

Descrizione:

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La legge di Ohm. Nellanalogia con il circuito idraulico abbiamo gi parlato di: - differenza di potenziale elettrico o tensione elettrica (paragonabile al dislivello tra due punti) che si esprime in volt (V) - intensit della corrente elettrica (paragonabile alla portata) che si esprime in ampere (A) Per misurare la tensione si utilizza un voltometro che va inserito in parallelo, mentre per misurare lintensit si impiega un amprometro che si inserisce in serie lungo il circuito. Per scoprire quale relazione esiste tra queste due grandezze costruiamo un sem-plice circuito, dove lutilizzatore una resistenza scalda-acqua ad immersione.

V

A

+

- R = 10

Facciamo ora variare la tensione di alimentazione e vediamo cosa capita al va-lore dellintensit. Riportiamo i dati nella tabella seguente.

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Tensione U (volt)

0 5 10 15 20

Intensit I (ampere)

0 0.5 1 1.5 2

Quale relazione esiste tra la tensione U e lintensit I ?

I valori misurati mostrano chiaramente lesistenza di una relazione tra la tensione U e lintensit I della corrente.

Dove R il valore della resistenza.

In un circuito elettrico chiuso la tensione provoca il movimento delle cariche elettriche, cio una corrente elettrica. Un circuito elettrico caratterizzato dalle tre grandezze seguenti: La tensione elettrica U espressa in volt [V] Lintensit della corrente I espressa in ampere [A] La resistenza elettrica R espressa in ohm []

La tensione U spinge la corrente I attraverso la resistenza R.

In altre parole il valore in ohm della resistenza di un utilizzatore esprime quale tensione in volt occorre affinch la resistenza venga percorsa da unintensit di 1 ampere.

IUR =Dove: RUI = U = R . I

RUI =

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Impianti elettrici e sicurezza. L'impianto domestico. Nel nostro impianto casalingo tutti gli apparecchi sono collegati in parallelo e la tensione di 220 volt. I due estremi di ogni presa sono collegati a due cavi, la fase e il neutro e gene-ralmente presente un terzo cavo, la messa a terra che serve quale protezione in caso di incidente.

FASE NEUTRO

MESSA A TERRA

Per fare in modo che ognuno sia col-legato alla stessa tensione.

Perch gli apparecchi domestici sono collegati in parallelo?

Semplificando all'estremo, la figura precedente illustra come l'elettricit giunge fino alle nostre case. Come mai gli uccelli che si posano sui fili non restano fulminati dalla corrente?

Perch si posano toccando solo un fi-lo! In questo modo non chiudono il circuito!

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Effetti della corrente elettrica sul nostro corpo. Una corrente elettrica che attraversa il nostro corpo, pu danneggiarlo molto seriamente. La pelle asciutta funziona da isolante impedendo cosi che l'elettricit si propa-ghi nell'organismo. Perch il suo potere isolante venga meno si deve verificare una situazione in cui il nostro corpo rappresenti la "chiusura" di un circuito e-lettrico. In questo caso le conseguenze possono essere irreparabili, anche perch i 220 V della corrente abitualmente fornita per gli usi domestici e, soprattutto, la sua intensit, sono pi che sufficienti a uccidere una persona.

Il passaggio di corrente elettrica attraverso il corpo pu produrre effetti molto dannosi e talvolta addirittura letali a seconda delle caratteristiche della corrente applicata e la durata del contatto. In generale, si pu dire che gli effetti dannosi della corrente dipendono dalla sua intensit e dal suo percorso attraverso il corpo. Correnti da 1 a 3 mA rap-presentano la soglia della percezione e non sono pericolose. Correnti da 4 a 50 mA producono spasmi nella muscolatura scheletrica, parti-colarmente pericolosi quando interessano i muscoli respiratori (morte per a-sfissia). Correnti di maggiore intensit provocano l'arresto del cuore che quindi non fun-ziona pi come propulsore del flusso del sangue e provocano perci la morte.

In questo caso la cor-rente attraversa il cor-po passando da una mano allaltra.

In questo caso la cor-rente attraversa il cor-po passando dalla ma-no e si scarica a terra attraverso i piedi.

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In caso di incidente: cosa fare? cosa non fare? Come comportarsi in caso di folgorazione? Se il fusibile salvavita non scatta e la vittima ancora sotto tensione bisogna disinserire prima possibile linterrut-tore generale della corrente. Pi a lungo dura la scossa, maggiore il rischio di danni. Quello che non si deve mai fare, altrimenti si pu mettere a rischio la propria incolumit, toccare la vittima ancora sotto tensione con le mani o con un og-getto bagnato o umido!

Evitiamo i rischi!

Situazioni da evitare as-so-lu-ta-men-te! Mai utilizzare apparecchi elettrici collegati alla

rete quando si nella vasca da bagno! Prima di forare una parete verificare che non ci

siano fili sottomuro! Non tirare il cavo per scollegarlo dalla rete! Evitare di sovraccaricare una fase collegando

troppi apparecchi alla stessa presa!