Giochiamo con l’elettricità 10 marzo 2012

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Dalle “Indicazioni per il Curricolo per la scuola primaria e secondaria di primo grado” (agosto 2007)

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Fin dall'antichità i Greci, avevano scoperto che l'ambra gialla (resina fossile) strofinata attira dei leggeri corpuscoli. Questo fenomeno, detto di elettrizzazione per strofinio è tra i più noti perché molto comuni sono gli oggetti che rivelano tale proprietà: si pensi alle fibre sintetiche e agli innumerevoli oggetti in plastica. Una comune penna biro, ben strofinata su un panno dì lana, attira dei pozzetti di carta. La prima ricerca scientifica tuttavia su tali fenomeni fu fatta solo all'inizio del 1600 dal medico inglese Gilbert, il medesimo che si occupò anche dei fenomeni magnetici.

Questo tipo di ricerca consiste prima nell'eseguire semplici esperimenti che ci permettono di prendere atto di una serie di fatti che non rientrano nella esperienza quotidiana e poi di catalogare le proprietà fondamentali sul comportamento elettrico della materia.

Per capire la natura dei fenomeni elettrici è necessario studiare lo stato elettrico dei corpi.

La materia è composta da atomi che sono formati da cariche elettriche di segno opposto in eguale quantità in maniera tale che complessivamente abbia carica nulla, cioè sia neutro. Se sull’atomo non agisce nessuna causa esterna, gli elettroni continuano a ruotare intorno al nucleo senza dar luogo a nessun fenomeno particolare.

Se, con opportuni mezzi, riusciamo a sottrarre o aggiungere uno o più elettroni dal nucleo diremo che il corpo è elettrizzato:

- positivamente se ha perduto elettroni

- negativamente se ha acquistato elettroni

L’elettrizzazione dei materiali può avvenire secondo le modalità descritte nella tabella seguente

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Per convenzione i fisici hanno stabilito che corpi come la plastica si caricano negativamente mentre corpi come il vetro si comportano positivamente. Sperimentalmente si può osservare che tra corpi elettricamente carichi agiscono delle forze di attrazione o repulsione, in particolare:

- corpi carichi entrambi positivamente o negativamente si respingono. - corpi carichi di segno opposto si attraggono.

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Elettroscopio

L'elettroscopio è uno strumento che permette di riconoscere se un corpo è carico elettricamente: si tratta di un rivelatore di carica Scopo: Verifica della proprietà delle cariche elettriche; Capire che si può elettrizzare un oggetto per contatto o per induzione; Capire cosa si intende per conduttore e per isolante. Materiale necessario:

15 cm di filo di rame isolato tipo antenna TV;

Due pezzetti di carta d’alluminio di dimensioni cm 2x1;

Un barattolo in vetro con coperchio forabile;

Pinze, forbici, un punteruolo;

Biro in plastica, cacciavite, bacchetta in metallo, carta, filo di rame, un palloncino di gomma gonfio;

Panno di lana (per caricare i corpi).

Costruzione Praticare con un punteruolo un foro nel coperchio del barattolo e far passare un pezzo di filo per antenna di circa 10 cm. Alle estremità del filo si deve togliere l’isolante bianco (circa 1 cm) e l’estremità che finirà all’interno del barattolo deve essere piegata ad uncino. Si preparano due piccoli foglietti di alluminio (2x1 cm) e si appendono al gancio di rame creato. Si richiude il barattolo avendo l’accortezza di far in modo che i fogliettini di alluminio rimangano sospesi. All’estremità esterna del filo per antenna si mette una pallina di alluminio. Conduzione dell’esperimento: Elettrizzare per strofinio una bacchetta di plastica o un palloncino e avvicinarlo alla pallina di alluminio esterna al barattolo si potranno osservare due cose:

per induzione

1) Avvicinando, ma NON toccando, la pallina di alluminio i foglietti interni si muovono allontanandosi. L’oggetto carico induce

delle cariche sulla pallina di alluminio che quindi si carica. Le cariche vengono prelevare dai fogliettini di alluminio che, essendo carichi della stessa carica, si allontanano. Non appena allontaniamo l’oggetto carico i foglietti di alluminio ritornano nella posizione iniziale perché le cariche si ridistribuiscono uniformemente;

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per contatto

2) Avvicinando e TOCCANDO la pallina con l’oggetto carico i foglietti interni si allontanano perché le cariche si trasmettono

dall’oggetto carico all’elettroscopio. Non appena allontano l’oggetto carico i foglietti rimangono nella posizione assunta perché, per contatto, l’elettroscopio si è caricato;

Comportamento dell’elettroscopio con materiali diversi.

3) Toccare l’elettroscopio carico con diversi materiali. RISULTATO: Solo alcuni materiali scaricano l’elettroscopio, altri non lo

modificano. In pratica, biro in plastica, cacciavite, provetta in vetro e foglio di carta non scaricano l’elettroscopio; la bacchetta di metallo e il filo di rame si comportano nel modo opposto;

4) Toccare l’elettroscopio carico con un dito. RISULTATO: L’elettroscopio si scarica (i pezzetti di alluminio si richiudono). per Conclusione: L’elettroscopio è uno strumento in grado di rilevare la presenza di cariche elettriche. Un corpo può essere caricato, oltre che per strofinio, anche per contatto e per induzione. Per strofinio i due oggetti che si strofinano tendono a caricarsi positivamente l’uno e negativamente l’altro a seconda della affinità dei materiali nei confronti delle cariche positive e negative. Per contatto un oggetto carico trasferisce all’altro (inizialmente neutro) parte delle cariche in esso presenti in eccesso. Per induzione un oggetto si carica a causa di una disomogenea distribuzione di cariche indotta dalla presenza nelle vicinanze di un oggetto carico. I vari materiali si comportano nei confronti del passaggio di cariche in modo differente: quelli che permettono un agevole passaggio delle cariche sono detti conduttori, quelli che non lo permettono sono detti isolanti. In realtà non sempre è netta la classificazione, pertanto si parla di buoni e cattivi conduttori o di buoni e cattivi isolanti.

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La corsa delle lattine Un oggetto caricato elettrostaticamente attira, per induzione un altro oggetto

Scopo: Verifica della proprietà dell’induzione elettrica dei corpi elettrizzati Materiale necessario: Palloncino gonfio caricato per strofinio con panno di lana, lattina di alluminio su piano liscio Costruzione - Conduzione dell’esperimento: Elettrizzare per strofinio il palloncino e avvicinarlo alla lattina di alluminio senza toccarla:

1) La lattina inizia a rotolare perché su di essa vengono indotte cariche elettriche di segno opposto a quelle del palloncino. Conclusione: Il palloncino carico induce delle cariche sulla lattina di alluminio che quindi si carica. Le cariche, di segno opposto, si atteaggono e nasce quindi una forza che fa rotolare la lattina sul piano.

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Il campanello elettrico Un oggetto caricato elettrostaticamente attira, per induzione un altro oggetto

Scopo: Verifica della proprietà dell’induzione elettrica dei corpi elettrizzati I conduttori collegati alla “massa” scaricano i corpi. Materiale necessario: Palloncino caricato per strofinio, 2 lattine di alluminio, una bacchetta isolante (penna bic), filo da cucito, filo di rame abbastanza lungo Costruzione Si stacca la linguetta di una delle lattine ed appenderla con il filo da cucito alla penna bic, facendo in modo che il filo da cucito sia lungo la metà dell’altezza delle lattine. Si pongono le due lattine ad una distanza di circa 3 cm e si pone la linguetta sospesa in mezzo alle due lattine. Una delle lattine deve essere collegata tramite filo di rame ad una massa metallica (infisso metallico o termosifone) Conduzione dell’esperimento: Elettrizzare per strofinio il palloncino e avvicinarlo alla lattina di alluminio non collegata alla massa metallica toccandola:

1) La lattina si carica elettrostaticamente per contatto. 2) La linguetta viene attirata dalla lattina carica per induzione e si avvicina ad essa. 3) Appena la linguetta tocca la lattina si carica della stessa carica e quindi viene respinta. 4) La linguetta si muove verso la lattina collegata alla massa metallica e, non appena la tocca, si scarica 5) Ricomincia il ciclo da 2.

Conclusione: L’attrazione della linguetta di alluminio ad opera della lattina caricata elettricamente è del tutto analoga all’attrazione descritta nell’esperimento della corsa delle lattine. Il contatto tra la linguetta e la lattina collegata alla “massa” fa si che la linguetta si scarichi perché la massa è collegata al terreno che ha carica nulla. La fase di scarica della linguetta avviene grazie al collegamento di materiali conduttori con il terreno, se questo collegamento viene interrotto il campanello elettrico funziona in maniera meno accentuata. Lo scampanio elettrico non è perpetuo ma dura il tempo necessario alla scarica completa del palloncino (la linguetta fa da “traghetto” delle cariche dalla lattina carica alla lattina collegata a terra). PS. Il campanello elettrico è una variante del campanello di Franklin ideato per rilevare l’elettricità statica delle nuvole (e quindi la possibilità di avere fulmini) semplicemente collegando una lattina ad un’antenna all’esterno, e condierando la nuvola carica come un palloncino.

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Limone elettrico Alcuni effetti chimici creano una corrente elettrica ovvero hanno la capacità di mettere in movimento gli elettroni attraverso un conduttore Scopo: Verifica della proprietà delle pile chimiche Materiale necessario: 2 limoni, 2 viti zincate, filo di rame, un apparecchio elettrico alimentato da una pila da 1,5V, cavetti elettrici dotati di morsetti a coccodrillo, un chiodo (per forare il limone).

Costruzione In ciascuno dei due limoni si inserisce una vite zincata e un pezzo di filo di rame sbucciato. Si collega il cavo di un filo di rame con la vite posta nell’altro limone in maniera tale da mettere “in serie” le pile. Rimangono liberi un filo di rame (che risulta essere il positivo della pila +) ed una vite zincata (il negativo della pila -).

Conduzione dell’esperimento: Si prende l’apparecchio elettrico (meglio se digitale) e si toglie la pila interna. Tramite i cavetti con coccodrillo si collegano il polo negativo del limone elettrico (vite zincata) con il negativo indicato nell’apparecchio elettrico e il polo positivo del limone elettrico con positivo dell’apparecchio elettrico.

Conclusione: L’apparecchio elettrico comincia a funzionare. La soluzione acida (acido citrico) e acqua costituisce l’elettrolita. Il rame e lo zinco sono i 2 elettrodi che, a causa della diversa natura chimica, hanno la capacità di creare un movimento di elettroni tramite l’elettrolita. La corrente così prodotta è in grado di far funzionare un piccolo apparecchio elettrico allo stesso modo di una pila normalmente venduta nei supermercati.

NB: Dopo l’esperimento i limoni non sono più commestibili! Il generatore di corrente elettrica (pila, dinamo, alternatore, cella fotovoltaica,…) è un dispositivo in grado di mantenere costante nel tempo la d.d.p. tra i due estremi di un conduttore. Un generatore di corrente viene, spesso, paragonato ad una pompa inserita in un circuito idraulico con la funzione di mantenere costante il dislivello dell’acqua tra due recipienti comunicanti e permettere così il continuo fluire del liquido dal recipiente col livello maggiore verso quello a livello più basso.

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La pila di Volta

Tutti i metalli hanno nelle ultime orbite degli elettroni (liberi) cioè non molto legati al nucleo e che possono sfuggire alla sua forza di attrazione. La facilità con cui questi elettroni delle ultime orbite possono essere ceduti dall'atomo è diversa nei vari metalli. Cosi, ed esempio, se confrontiamo lo zinco (Zn) ed il rame (Cu) notiamo che lo zinco cede i suoi elettroni liberi più facilmente del rame.

Alessandro Volta scoprì un fenomeno (effetto Volta) che consiste nel fatto che mettendo a contatto due metalli diversi c'è sempre un passaggio di elettroni (corrente elettrica) che va dal metallo che li cede più facilmente all'altro.

Ad esempio, mettendo a contatto con un filo conduttore una lastrina di zinco con una di rame si provoca un trasferimento di elettroni che vanno dallo zinco al rame; lo zinco, restando in difetto di elettroni si carica positivamente ed il rame, invece, si carica negativamente. Questo flusso di elettroni (corrente), però, si esaurisce all'istante perché dopo che alcuni elettroni sono passati dallo zinco al rame, questo non ha più la capacità di attirarne altri e lo zinco non ha più la tendenza a perderli. Se si immergono le due lastrine in una soluzione ionizzata (acido, sale, base) contenente cioè ioni positivi e ioni negativi succede che gli ioni positivi (+) si avvicinano al rame e catturano gli elettroni (-) in eccesso mentre gli ioni negativi si avvicinano allo zinco provocando una reazione chimica che lo rifornisce degli elettroni perduti. Con questo movimento all'interno della soluzione, si ripristina la situazione di partenza nelle due lastrine e si viene a creare un flusso continuo di elettroni (corrente elettrica) che vanno dallo zinco al rame. La corrente terminerà quando si esauriranno le particelle positive e negative (ioni) che sono in soluzione.

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Effetto termico della corrente

La corrente elettrica produce calore Scopo: Verifica dell’effetto termico della circolazione di corrente in un conduttore Avvio della sperimentazione della irreversibilità di alcuni fenomeni fisici. Materiale necessario: Pila da 4,5V, filo di rame, termometro Costruzione Si avvolge del filo di rame intorno al bulbo di un termometro. Conduzione dell’esperimento: Si collegano i due capi del filo di rame ai poli (positivo e negativo) della pila da 4,5 V. Il filo di rame si scalda e il termometro comincia a salire. Conclusione: La corrente elettrica prodotta dalla batteria e circolante nel filo elettrico produce un effetto termico (detto effetto Joule). La corrente elettrica, nel passaggio in un conduttore, incontra una resistenza ovvero “attrito” tra gli elettroni e gli atomi del conduttore stesso. L’attrito genera calore. L’attrito elettrico (detto resistenza elettrica) come l’attrito meccanico è un fenomeno IRREVERSIBILE: dal calore prodotto dal filo non si può ricavare energia elettrica. La resistenza elettrica dipende dalle caratteristiche del filo: dal materiale (rame, alluminio, ecc.) dalla lunghezza (più lungo è più è la resistenza) e dalla sezione del filo (maggiore è la sezione minore è la resistenza). NB: a causa della poca resistenza del filo di rame e per non danneggiare la pila irreparabilmente è bene condurre l’esperimento per pochi secondi. Infatti, in questa esperienza, la pila si trova ad erogare una corrente molto alta e si scarica velocemente.

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Elettrocalamita La corrente elettrica produce una calamita (effetto elettromagnetico)

Scopo: Verifica dell’effetto magnetico della corrente Materiale necessario: Pila da 4,5V, filo di rame avvolto su un chiodo lungo, piccolo chiodo (meglio limatura di ferro) o fermaglio Costruzione Si avvolge del filo di rame intorno al chiodo. Conduzione dell’esperimento:

1) Si posiziona il fermaglio vicino all’elettromagnete; 2) Si collegano i capi dell’elettromagnete ottenuto ai poli di una pila; 3) Il fermaglio verrà attirato dall’induzione magnetica creata dalla corrente che scorre nel filo.

Conclusione: La corrente elettrica è in grado di creare delle calamite (per questo dette elettrocalamite). L’esperienza dimostra anche la stretta correlazione tra campo elettrico e campo magnetico che, negli studi del ‘900 ha portato allo sviluppo delle trasmissioni grazie alle onde elettro-magnetiche. NB: a causa della poca resistenza del filo di rame e per non danneggiare la pila irreparabilmente è bene condurre l’esperimento per pochi secondi. Infatti, in questa esperienza, la pila si trova ad erogare una corrente molto alta e si scarica velocemente.

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Il principio del motore elettrico

Scopo: Rilevare il passaggio di corrente in un filo elettrico; Utilizzare l’azione elettromagnetica per mettere in movimento un conduttore Materiale necessario: Filo di rame; pila da 4,5V; una calamita a ferro di cavallo piuttosto potente; un interruttore Costruzione Si realizza il circuito nel seguente modo:

1) Il polo positivo della pila viene collegato ad un polo dell’interruttore; 2) Il rimanente polo dell’interruttore si collega al filo di rame; 3) Il rimanente capo del filo di rame si collega al polo negativo della batteria

Conduzione dell’esperimento: Si avvicina la calamita al filo di rame, in queste condizioni non si nota nessun effetto. Appena si chiude l’interruttore e il filo di rame è attraversato dalla corrente elettrica, la calamita esercita una attrazione o una repulsione (il filo si avvicina o si allontana). Invertendo i poli della pila si ottiene l’effetto opposto (allontanamento o avvicinamento del conduttore percorso da corrente). Conclusione: Questo effetto dimostra il passaggio di corrente nel filo di rame che, come è noto, non si vede. Tale fenomeno è utilizzato negli strumenti elettrici. Ma questo fenomeno è anche alla base del funzionamento dei motori elettrici nei quali l’avvolgimento percorso da corrente interagisce con un campo magnetico. Il fenomeno è reversibile e cioè muovendo il magnete si può produrre corrente (principio del generatore o della dinamo). NB: a causa della poca resistenza del filo di rame e per non danneggiare la pila irreparabilmente è bene condurre l’esperimento per pochi secondi. Infatti, in questa esperienza, la pila si trova ad erogare una corrente molto alta e si scarica velocemente.