Un percorso sulle trasformazioni dell’energia

La scienza in prima persona

Progetto scuole aperteLiceo Fermi

Quali modi per produrre energia elettrica?

Pile chimicheCelle solariCelle a combustioneGeneratori elettromagnetici

Energia termicaEnergia geotermicaEnergia eolicaIn tutti c’è un elemento in movimento (turbina) ed è

presente un campo magnetico

Caratteristiche principali di un generatore

• La differenza di potenziale (volt)• La corrente elettrica (ampere)

• Il prodotto di queste due grandezze dà la potenza elettrica, cioè l’energia che il dispositivo può fornire ogni secondo

• Si può verificare il funzionamento di un generatore usando uno strumento apposito (tester) o collegando un utilizzatore (una lampadina, un led o altro)

Caratteristiche degli utilizzatori

• I LED (light emitting diode) – hanno bisogno di piccolissime correnti per

accendersi– sono dispositivi polari– sono molto economici

• Le lampadine– hanno bisogno di una maggiore potenza– non sono polari

Lampadine e LED

Le lampadine non sono dispositivi polari, si accendono comunque vengano collegati i morsetti

I LED sono dispositivi polari, funzionano solo se si rispetta la polarità

LED è un acronomimo•Light•Emission•Diode

L’energia chimica

Tutti usiamo le pile, possiamo comprarle già fatte

ci sono pile con caratteristiche diverse, la differenza di potenziale (o voltaggio) viene di solito indicata sulla pila stessa

Ogni liquido o materiale umido elettricamente conduttivo può servire da elettrolita per una pila; occorrono poi degli elettrodi fatti di metalli diversi, per esempio zinco e rame. Queste pile generano correnti elettriche di bassa intensità. La differenza di potenziale dipende dai metalli usati. La potenza è sempre molto bassa.

La Pile Chimiche Sfruttano l’effetto Volta

Materiali:

uno o due posacenere di vetro o altri recipienti

alcune arance o altri frutti succosi uno o più elementi di rame (piastrine,

monete, rondelle) uno o più elementi di zinco alcuni fili elettrici collegati con un

coccodrillo

Strumenti un tester

alcuni utilizzatori una calcolatrice un orologio digitale

Usiamo una pila ogni gruppo costruisce e prova un elemento

singolo o doppio misura il voltaggio del singolo elemento prova ad accendere un utilizzatore

una calcolatrice un orologio un led una lampadina

L’unione fa la forza!

Un intergruppo in cui si collegano tutte le pile costruite

Quali voltaggi si otterranno? Cosa riusciremo ad accendere?

Obiettivo: capire cosa significa collegamento in serie ed in parallelo nel caso delle pile

Principio di funzionamento

Gli elementi in ogni arancia sono uno di rame ed uno zinco. Il succo dell’arancia è acido e gli ioni di zinco, positivi, tendono ad entrare in soluzione. Sull’elettrodo di zinco rimangono quindi degli elettroni in eccesso. Se questo elettrodo viene connesso con l’elettrodo di rame gli elettroni migrano verso il rame e si genera una (piccola) corrente elettrica. Invece delle rondelle si possono usare delle lastrine

Celle solari• Occorre per ogni gruppo

– Una cella solare– Un tester– Uno o più utilizzatori (calcolatrice, orologio)

• In più per tutti, una cella solare di dimensioni più grandi

• Obiettivo– Verificare che il voltaggio dipende dalla luce– Verificare che la potenza dipende dalla superficie

L’energia solare

• I pannelli fotovoltaici convertono la luce solare direttamente in energia elettrica sfruttando le proprietà dei semiconduttori.

• Un pannello fotovoltaico può durare circa 30 anni. In questo genere di impianto l'energia viene prodotta istantaneamente e non può essere immagazzinata in modo semplice.

Per comprendere il principio di funzionamento bisognerebbe sapere un po’ di elettronica di base, in particolare cosa significa ‘semiconduttore drogato p ed n’ ed il concetto di portatore e lacuna, argomenti che in genere vengono affrontati, e neppure sempre, durante gli ultimi anni di scuola superiore.

L’energia solare

• Ci sono anche pannelli che vengono utilizzati per fornire acqua calda. In questo caso si parla di solare-termico

• L’energia solare si può convertire in energia termica anche usando delle lenti o degli specchi che hanno lo scopo di concentrare l’energia proveniente dai raggi luminosi

• La fiaccola olimpica, per esempio, è stata accesa utilizzando uno specchio parabolico

Le celle a combustibile

• Inserire diapositiva già pronta

La macchina ad idrogeno

• Il modellino di macchina ad idrogeno sfrutta una cella a combustibile

• Per produrre l’idrogeno sfrutta il fenomeno dell’elettrolisi

• L’energia necessaria per l’elettrolisi viene fornita da un piccolo pannello solare

L’elettrolisi

Il banco dell’energia

• Col banco dell’energia si possono osservare meglio questi stessi processi

Altri generatori(elettromagnetici):

• Dinamo della bicicletta• Carica batterie meccanico • Ventola

L’esperienza di Oersted

OBIETTIVO: capire il principio di funzionamento dei generatori elettromagnetici

Facciamo cadere una calamita dentro una bobina collegata a due cavetti

Si genera una corrente elettrica Per verificarlo possiamo

– Usare un multimetro (per misurare la corrente o la tensione)

– Collegare un LED alle estremità della bobina e vedere che si accende

l’induzione elettromagnetica

La torcia ad induzione

• Energia di posizione• Energia di movimento• Energia elettromagnetica• Energia elettrica• Energia luminosa

Sfrutta in sequenza questi tipi di energia

È un generatore elettrico

L’energia elettrica

• Molti dei generatori di elettricità, comprese le centrali elettriche, sono basati sul fenomeno dell’induzione elettromagnetica:

– Tutte le volte che si genera un campo magnetico variabile in una regione di spazio dove è presente una spira fatta di materiale metallico, nella spira si crea una corrente elettrica

Quindi si può produrre una corrente elettrica tutte le volte che si riescea fare in modo che una spira sia immersa in un campo magnetico variabile

La dinamo

• A cosa serve?• Come è fatta?

Anche la dinamo è un generatore elettrico

Come è fatta la dinamo

Magnete che gira quando la bici si muove

Avvolgimento elettrico a cui collegare la lampadina del faro della bici

Questo pezzo è a contatto con la ruota

Carica batterie a manovella

• Energia cinetica• Energia elettrica• Energia chimica per caricare la pila del

telefonino oppure• energia luminosa• oppure di nuovo energia meccanica

Può funzionare da generatore o da utilizzatore. Questo ci fa capire come funzionano i generatori ed i motori elettrici:

se giro la manovella ottengo corrente elettrica se fornisco corrente elettrica la manovella si mette a girare

Tipi di energia coinvolta:

L’energia eolica

• Convertono l'energia eolica, cioè l’energia cinetica del vento in energia elettrica

• Prima tra tutte le energie rinnovabili per il rapporto costo/produzione, è stata anche la prima fonte energetica rinnovabile usata dall'uomo (mulini a vento).

Anche i generatori eolici sono dei generatori elettrici

La nostra ventola è un apparecchio reversibile, come i caricabatteria: se la collego ad un generatore diventa un ventilatore, se faccio girare le pale al vento, produce energia elettrica

motore elettrico

• Per costruire un motore occorre:– Un avvolgimento elettrico

• Si può realizzare con un filo di rame isolato

– Una calamita– Un alimentatore

• per esempio un pila chimica

– Dei cavi di collegamento– Dei supporti conduttori

• Per esempio delle spille da balia

Altre applicazioni

• L’elettrocalamita

Visualizzazione campi magnetici

Altre applicazioni

• Il campanello elettrico

Da preparare: elenco materiali