Passaggio dell’elettricità nei gas

Fenomeni e spiegazioni microscopiche

Luca Di Fino

Finalità dell’insegnamento• Concorrere alla formazione della cultura globale• Arricchire la preparazione di base

• Capacità critica• Capacità interpretativa• Capacità propositiva

• Contribuire a costruire una professionalità futura• Applicazioni tecniche• Processi tecnologici

• Acquisire un insieme organico di metodi e contenuti, per un’adeguata conoscenza ed interpretazione della natura secondo le modalità proprie del metodo scientifico:• Osservazione di un fenomeno e raccolta dati• Formulazione di ipotesi• Costruzione di un modello predittivo• Verifica sperimentale

• Capacità di analizzare e schematizzare situazioni reali• Capacità di affrontare e risolvere problemi concreti e nuovi

Passaggio dell’elettricità nei gasContesto scolastico• Liceo Scientifico, classe 5°

Obiettivi generali• Sapere che un gas può comportarsi come un conduttore elettrico

• Osservazioni qualitative

• Comprendere i diversi fenomeni a livello microscopico

• Evidenziare applicazioni nella realtà quotidiana

Collocazione nell’ambito dell’attività didattica• All'interno dell’unità sulla conduzione elettrica nei diversi materiali

Nodi disciplinari • Solo in alcune situazioni i gas assumono proprietà di conduttori

• Il passaggio di corrente dipende dalla tensione e dalla pressione

Prerequisiti• Concetti di potenziale elettrico, campo elettrico e struttura dell’atomo

Tempo di realizzazione• 2-3 ore

MetodologiaIntrodurre il tema partendo da osservazioni qualitativeUtilizzo delle tecnologie multimediali per stimolare diversi canali di comunicazioneOsservare la variabilità dei fenomeni tramite esperienze di laboratorio

1. Brainstorming2. Lezione interattiva

• Lezione orientata all’interazione con gli studenti• Osservazione di fenomeni naturali di conduzione nei gas• Contributi dall’esperienza quotidiana (filmati, foto) in grado di stimolare l’interesse

3. Lezione frontale• Classificazione dei diversi fenomeni• Descrizione microscopica dei meccanismi responsabili della conduzione nei gas• Variabilità dei fenomeni col variare di alcuni parametri

4. Esperienza in laboratorio• Macchine elettrostatiche

• Approfondimenti• Approfondimenti storici• Applicazioni nella fisica delle particelle (rivelatori di particelle)• Fenomeni analoghi (rivelatori a liquido, rivelatori a stato solido)

Progettazione didattica

Unità didattiche• Struttura atomica della materia• Elettrostatica: il campo elettrico e le sue rappresentazioni

• Campo elettrico• Potenziale elettrico

• Elettrodinamica: la corrente elettrica e le sue caratteristiche• Resistenza e legge di Ohm• Conduzione elettrica nei gas

• Elettromagnetismo• Fisica moderna Prerequisiti

BrainstormingPartendo dalle caratteristiche elettriche dei gas (neutri) si pongono alcune domande per stimolare la discussione in classe.• I gas sono isolanti?

• Esempi

• E’ sempre vero?• Fenomeni che contraddicono quanto sopra

• Possibili spiegazioni

Lezione interattiva• Esempi di conduzione nell’aria• Elettroscopio carico

• Scarica di un elettroscopio carico• Elettroscopio sotto vuoto• Effetto di agenti ionizzanti (sostanze radioattive, fiamme, raggi X)

• Spiegazione microscopica• Aria parzialmente ionizzata -> debolmente conduttore• Agenti ionizzanti -> aumento degli ioni disponibili

scoperta dei raggi cosmici (Hess, 1912)

Lezione frontale:Corrente nei gas a pressione normale

• Funzione tensione-corrente caratteristica• Tensione e corrente di saturazione

• Tensione di innesco e scarica a valanga• Il campo elettrico stesso diventa agente ionizzante (ionizzazione

secondaria)• Riducendo la pressione aumenta il libero cammino medio (quindi

l’energia acquistata dal singolo ione) e basta un campo elettrico minore per innescare la valanga

• Poiché (campo E ~ tensione V)-> Tensione di innesco proporzionale a pressione gasIn aria a pressione normale Ei ≈30000 V/cm

La conduzione dei gas non segue la legge di OhmLa corrente è proporzionale alla distanza tra le armature

Lezione frontale:Fenomeni luminosi nella scarica a pressione normale• Eccitazione elettroni in uno stato metastabile• Diseccitazione provoca l’emissione di un fotone (senza riscaldamento)• Scintilla durante la scarica a valanga

• Arco voltaico• Elettroni emessi per effetto termoionico• Bassa tensione, alta corrente, alta temperatura ( > 4000°)

Rocchetto di Ruhmkorff Esperienza di laboratorio:Macchina elettrostatica

Scariche nelle nubi: fulmini, lampi e tuoni

Lezione frontale:Scarica nei gas rarefatti• Dal tubo in cui si trovano gli elettrodi in alta

tensione si estrae progressivamente l’aria

• Da scariche rumorose ma non luminose si passa alla scarica a bagliore

• Raggi catodici

Esperienza di laboratorio:Scala di Cross40 mmHg - 0,01 mmHg6 kVDalla scarica continua fino alla fluorescenza

La scoperta dell’elettrone

Applicazione pratica: tubi a luminescenza (neon)

Fulmini: analisi del fenomeno

Grandezze caratteristichei 2-200 kA

V 1-10 x 109 kV

q 5-10 C

t 5-500 ms

• A causa della ddp dalla nuvola partono una o più scariche pilota, silenziose e debolmente luminose.

• Dal terreno partono analoghe schiere di cariche positive verso l'alto.• Le cariche positive e quelle negative si incontrano a circa 15-50 metri

dal suolo. • Scarica di ritorno: un intensissimo flusso di cariche positive dal

terreno raggiunge la nuvola lungo il percorso precedentemente preparato dalle scariche pilota che si sono staccate dalla nuvola.

• Il tuono è dovuto all’espansione improvvisa dell’aria riscaldata per effetto Joule

• Quando la scarica di ritorno raggiunge la nuvola una vasta zona di quest'ultima viene neutralizzata e si generano degli squilibri con conseguenti scariche interne alla nuvola.

• Altre scariche possono formarsi seguendo il percorso di gas ionizzato formatosi precedentemente

Verifica• L’apprendimento verrà verificato nell’ambito della verifica

all’unità didattica• Interrogazioni orali

• Migliorare e valutare la qualità dell’apprendimento e l’acquisizione del linguaggio specifico

• Occasione di apprendimento per la classe

• Prove scritte• Verifiche formative

• Comprensione dei contenuti e validità del percorso e della metodologia• Test veloci

• Verifiche sommative• Verificare conoscenze, comprensione, capacità di applicazione e di

rielaborazione• Risoluzione di esercizi e domande aperte

Riepilogo

• La lezione così strutturata va oltre l’impostazione classica della lezione frontale top-down• L’interattività permette di favorire la partecipazione

del gruppo classe• L’utilizzo di strumenti multimediali stimola

l’attenzione e l’approfondimento personale• L’utilizzo di diversi canali di comunicazione

permette una personalizzazione della didattica che tiene conto anche dei BES