Michelini M, Mossenta A (2009) Esplorare i fenomeni elettrici, Treccani 2009 -

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Esplorare fenomeni elettrici per interpretare la carica e la sua energia: il potenziale. Marisa Michelini e Alessandra Mossenta

Unità di Ricerca in Didattica della Fisica dell’Università di Udine

Introduzione I fenomeni elettrici sono da sempre parte della vita quotidiana, ma oggi sono anche elemento

essenziale del mondo tecnologico. E’ facile quindi che nei più disparati contesti ricorrano termini

legati ad essi, spesso sintetizzati sotto la parola “elettricità”. Con essa si vuole spesso far riferimento

tanto al concetto di “corrente elettrica” quanto a quello di “energia elettrica”, senza comprenderne i

ruoli diversi. Una comprensione adeguata dei fenomeni elettrici è invece necessaria per produrre

ragionamenti fondati in ambito energetico, oggi così centrale, e presuppone di affrontare in un

primo tempo il concetto fondamentale di “carica elettrica” e di individuare il potenziale come

grandezza che presiede al suo movimento. L’importanza dell’acquisizione di modelli interpretativi

scientifici dell’elettrostatica è sottolineata anche da numerose ricerche sugli apprendimenti, che

vedono nelle difficoltà in questo settore l’origine di mancata comprensione di tutto il settore dei

circuiti (Benseghir et al 1996).

La carica come ente a cui è riconducibile la natura elettrica della materia

Utilizzare la semplice fenomenologia del quotidiano per costruire i concetti alla base di tutti i

fenomeni elettrici, quali quello di carica e di potenziale, permette di accompagnare chi impara nella

costruzione graduale della conoscenza che realizza il passaggio da una visione di senso comune ad

una scientifica. L’interpretazione dei fenomeni di base dell’elettrostatica quali elettrizzazione,

polarizzazione e induzione è riferita da studenti di scuola media superiore a quattro modelli di

“elettricità”, il più frequente dei quali risulta essere quello che vede la carica come un fluido

(Guisasola et al 2004). Viene operata una distinzione tra isolanti e conduttori che attribuisce ai

primi soltanto la capacità di elettrizzarsi per strofinio e ai secondi quella di presiedere a tutti i

fenomeni interessati da movimento di carica. Non viene riconosciuta la natura elettrica della materia

e fenomeni quali l’induzione sono fraintesi. Dal punto di vista macroscopico la più evidente

fenomenologia elettrica è la produzione di modifiche ai corpi che li mettono in grado di interagire.

Si sperimenta quindi il modo di elettrizzarsi/caricarsi dei corpi e l’insorgere di forze di interazione.

Si osservano interazioni tra coppie formate da oggetti preparati in diversi modi, quali strisce di

nastro adesivo strappato e cannucce strofinate, (vedi fig. 1e 2) per individuare all’origine

dell’interazione osservata una modifica dello stato degli oggetti a seguito delle azioni compiute su

di essi.

Fig.1

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Fig.2

Si riconoscono due possibili modalità di interazione, repulsiva e attrattiva, riferite a stati uguali o

diversi nei due elementi di ciascuna coppia, dopo aver individuato la repulsione come indicatore di

interazione tra oggetti nello stesso stato (in quanto preparati nello stesso modo). Dall’ampiezza

variabile della divergenza delle strisce di nastro adesivo strappato si ricava la dipendenza

dell’intensità dell’interazione tanto dalla distanza quanto dalla misura diversa con cui la proprietà

viene acquisita, ad esempio strappando da superfici diverse. Si osserva anche l’assenza di

interazione nel caso in cui un solo oggetto venga modificato e l’elettrizzazione di entrambi gli

oggetti coinvolti nello strappo/strofinio, sempre eteronoma. Ciò permette di costruire un semplice

rivelatore di elettrizzazione costituito da strisce di nastro adesivo strappate tra loro, utilizzato sia per

scoraggiare l’interpretazione elettrica della fenomenologia magnetica, sia per individuare come

l’elettrizzazione per strofinio sia possibile per tutti gli oggetti, in particolare per i metalli. A questo

proposito si possono utilizzare una lattina metallica e una bottiglia di plastica collocate su sostegni

isolanti, che, strofinate, manifestano elettrizzazione avvicinando alla zona strofinata l’indicatore a

nastro. Se all’estremità opposta dei due oggetti vengono fissate delle striscioline leggere si nota che

esse hanno un comportamento diverso nei due casi: si sollevano se attaccate al metallo. (vedi fig. 3)

.

Fig.3

Ascritto il movimento delle strisce alla repulsione e dunque ad un loro stato elettrizzato si ricava

che i metalli, diversamente dagli isolanti, consentono il trasferimento degli enti responsabili

dell’elettrizzazione. Dopo aver individuato un altro procedimento di elettrizzazione, quello per

contatto (realizzato ad esempio toccando la lattina con un oggetto precedentemente strofinato e

osservando la repulsione delle strisce all’estremità opposta) si osserva che lo stesso effetto si

raggiunge anche solo per avvicinamento: ciò porta a ritenere che la fenomenologia sia riferibile ad

entità interne agli oggetti e non fornite dall’esterno e che le interazioni macroscopiche siano il

risultato di interazioni tra tali enti. Sulla base di questo si possono unificare metalli e isolanti: due

pendolini, uno metallico e uno di polistirolo, in presenza di una cannuccia strofinata si comportano

allo stesso modo, ovvero vengono attratti verso quest’ultima, vengono a contatto con essa e infine

se ne allontanano, respinti; la sola differenza riguarda i tempi, più lunghi nel secondo caso (vedi fig.

4). Si interpreta quindi questa differenza come limitazione nella distanza che gli enti responsabili

dell’elettrizzazione, le cariche, possono percorrere.

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Fig.4

Governare il movimento della carica

Le esplorazioni effettuate portano all’idea che due tipi di carica sono presenti all’interno di tutti gli

oggetti, tuttavia sono in grado di sollevare le striscioline solo se “opportunamente” spostate: le

cariche all’interno della lattina, ad esempio, producono un cambiamento della disposizione delle

strisce, sollevandole, solo se spostate dall’interazione con quelle presenti nell’oggetto strofinato. Il

trasferimento di carica, aspetto che lega l’elettrostatica ai circuiti, è un altro ambito in cui emergono

numerose difficoltà di apprendimento (Barbas et al 1997; Guruswamy et al 1997). In particolare,

ragionamenti basati sulla forza, fanno ritenere che esso avvenga solo tra oggetti carichi in modo

diverso, fino al neutralizzarsi di uno di essi. Al contrario ragionamenti basati su un modello a fluido

vedono nella quantità di carica il fattore determinante nel trasferimento, fino alla sua uguaglianza

all’equilibrio, indipendentemente dalle caratteristiche dei corpi e senza riferimenti al potenziale.

L’indagine sperimentale studia quindi le modalità di distribuzione della carica tra oggetti metallici

che vengono a contatto: su oggetti delle stesse dimensioni e forma (ad esempio due sfere uguali) la

situazione d’equilibrio è raggiunta con una pari quantità di carica; se le dimensioni degli oggetti su

cui si vuol trasferire carica sono diverse, a parità di situazione di partenza, l’equilibrio si raggiunge

con minor carica sull’oggetto di dimensioni minori (la sfera più piccola), ad indicare che qui la

condizione della carica sull’oggetto è meno favorevole all’accumulo ulteriore rispetto alla carica

sull’oggetto di dimensioni maggiori. (vedi Figura 5: i picchi più lunghi sono relativi alla carica su

una sfera precedentemente al contatto, gli altri alle cariche sulle due sfere dopo di esso: il primo

contatto è ripetuto, l’ultimo viene effettuato con una sfera più piccola della precedente)

Fig. 5

Il contatto tra due oggetti con carica e dimensioni diverse può provocare un trasferimento che ha

l’effetto di aumentare la differenza di carica presente sui due oggetti, nel verso cioè dal meno

elettrizzato al più elettrizzato; ad esempio, in fig.6, due sfere di dimensioni diverse, entrambe

elettrizzate, mostrano dopo il contatto di aver accentuato la differenza tra le cariche presenti su di

esse.

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Fig. 6

Dopo aver individuato la necessità di trovare riferimenti diversi dalla carica per l’analisi del suo

trasferimento restano aperte due questioni: In che senso e come avviene il trasferimento di carica?

Cosa caratterizza e regola l’equilibrio che si raggiunge?

Il fatto che nei sistemi di uguali dimensioni la grandezza che regola il trasferimento risulta essere la

carica, fino alla disposizione della stessa quantità sui due sistemi, porta a pensare che la grandezza

cui riferirsi per il trasferimento dipenda dalla carica, in senso direttamente proporzionale; il

comportamento nelle sfere di dimensioni diverse evidenzia l’influenza di queste ultime nel

trasferimento: sfere di dimensioni minori consentono alla carica presente su di esse maggiore

capacità di trasferimento. La grandezza che lo regola prende il nome di potenziale, rapporto tra la

carica sulla sfera e una grandezza che tiene conto della geometria del sistema, detta capacità. Un

generatore mantiene la sfera cui è collegato ad un potenziale costante. Al variare del potenziale su

ciascuna sfera si osserva una variazione della carica che si trasferisce su di essa, in modo tale da

mantenere costante il rapporto q/V; tale rapporto cresce al crescere delle dimensioni della sfera

stessa, e indica la quantità di carica che può trasferirsi sulla sfera sotto un determinato potenziale,

ovvero la capacità C. Il movimento di carica che si realizza nel trasferimento richiede che venga

impiegata dell’energia: tale risulta essere la natura della grandezza –il potenziale- che lo regola;

esso tiene conto sia della carica, l’ente che effettua gli spostamenti, che della sua disposizione,

attraverso le dimensioni degli oggetti su cui si colloca.

Bibliografia

Barbas & Psillos, 1997, Research in Science Education, 27 (3) 445 – 459

Benseghir & Closset, 1996, Int. J. Sci. Educ., 18 (2) 179 -191

Furió, Guisasola & Almudì, 2004, Can. J. Sci. Math. and Tech. Educ., 4 (3) 291 - 313

Guruswamy, Somers & Hussey, 1997, Physics Education, 32 (2) 91 – 96

NOTE SUGLI AUTORI

Marisa Michelini è professore ordinario di Didattica della Fisica presso la Facoltà di Scienze della

Formazione dell’Università di Udine, Direttore del Dipartimento di Fisica e responsabile della linea

di ricerca in Didattica della Fisica nel Dottorato di ricerca in Matematica e Fisica della stessa

Università. Ha coordinato la partecipazione dell’Unità di Ricerca in Didattica della Fisica (URDF)

dell’Università di Udine a 5 progetti europei, a 18 di rilevanza nazionale ed a 10 di rilevanza

regionale su ricerche inerenti l’educazione informale e la costruzione del pensiero formale in

ambito scientifico, il ruolo delle tecnologie della informazione e della comunicazione nel

superamento dei nodi concettuali in fisica, l’innovazione didattica nella scuola secondaria con

particolare riguardo alla meccanica quantistica, modelli e metodi per la formazione degli insegnanti.

Oltre 400 sono le pubblicazioni in tali settori di ricerca.

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Alessandra Mossenta. Laureata in fisica, insegna nella scuola superiore. Attualmente sta seguendo

un corso di Dottorato in Didattica della fisica presso il Dottorato in Matematica e Fisica

dell’Università degli studi di Udine. Da anni svolge ricerche didattiche nell’ambito dell’Unità di

Ricerca in Didattica della Fisica dell’Università di Udine sulla comunicazione, il linguaggio,

l’educazione informale in fisica e la ricaduta di ricerche scientifiche nell’ambito dell’insegnamento

secondario.