D. Allasia, V. Montel, G. Rinaudo, Dipartimento di Fisica Sperimentale, Università di Torino“S.I.S. – Indirizzo Scienze Naturali e Indirizzo Fisico - Matematico - A. A. 2006 – 2007”

Forze elettrichePreparazione di

Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059

Attività

1) Elettrizzare per strofinio

2) Misurare grandezze elettriche

3) Produrre differenze di potenziale

4) Produrre luce con l’elettricità

Concetti

1) forze a distanza

2) differenza di potenziale e corrente elettrica

3) differenza di potenziale

4) energia elettrica, circuito elettrico

Forze elettriche-1

1) Il pendolino elettrostatico

2) Il tester

3) La pila all’aceto

4) E luce sia!

Forze elettrichePreparazione di

Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059

Consegna: tutto quello che si può fare con alcuni oggetti su cui eseguire lo strofinio (biro di plastica di vario genere, cannucce di plastica, posate o pettini di plastica, pezzi di polistirolo per imballo, qualche pezzo di ambra, palloncini di varie misure), nonché piccoli oggetti che permettano di evidenziare lo stato di elettrizzazione dell’oggetto strofinato (piccoli pezzi di carta di giornale, di quaderno o stagnola, pezzi di pellicola trasparente per alimenti, qualche piccolo frammento di foglia, di stelo, di filo di cotone o di lana, palline di polistirolo).

Occhiello forze a distanza• lo strofinio modifica localmente le proprietà di certi oggetti rendendoli capaci di attrarre piccoli oggetti vicini; • l’oggetto strofinato acquisisce localmente una carica elettrica e si elettrizza;• la presenza dell’oggetto elettrizzato modifica le proprietà degli oggetti vicini rendendoli capaci di essere attratti; • la parte elettrizzata dell’oggetto esercita sugli oggetti vicini una forza attrattiva, detta forza elettrica, che è diretta lungo la retta che li congiunge; • anche l’oggetto attirato esercita a sua volta una forza eguale e contraria sull’oggetto elettrizzato.

Forze attrattive o repulsive•oggetti della stessa sostanza acquisiscono per strofinio lo stesso tipo di carica elettrica;•due oggetti elettrizzati con lo stesso tipo di carica si respingono, quindi fra di loro si esercita una forza elettrica repulsiva;•certi oggetti, come il vetro, si caricano per strofinio con cariche di tipo diverso da quelle acquisite per strofinio dalla plastica o dalla gomma, perché, quando sono elettrizzati, attirano, anziché respingere, gli oggetti di plastica elettrizzati separatamente;•esistono quindi due tipi di carica elettrica, che convenzionalmente vengono chiamate cariche elettriche positive (come quelle acquisite dal vetro per strofinio) e cariche elettriche negative (come quelle acquisite per strofinio dalla plastica o dalla gomma);•un oggetto elettrizzato con cariche positive attira un oggetto elettrizzato con cariche negative, mentre oggetti caricati con cariche dello stesso segno si respingono, siano esse entrambe positive o entrambe negative •anche gli oggetti metallici sono attirati da oggetti elettrizzati per strofinio;•al contatto con un oggetto elettrizzato per strofinio, un oggetto metallico acquisisce parte della carica elettrica;•dopo il contatto, l’oggetto metallico e l’oggetto elettrizzato per strofinio portano cariche dello stesso tipo e si respingono

La corrente elettrica•la corrente elettrica è costituita dal flusso ordinato di particelle elettricamente cariche e libere di muoversi all’interno di un conduttore, •per far circolare la corrente elettrica in un circuito occorre che ci sia una sorgente di energia che rifornisce alle particelle cariche l’energia che dissipano nel loro moto attraverso il circuito,•sono sorgenti di energia elettrica le pile, le batterie o, per gli impianti elettrici domestici o industriali, le centrali elettriche che alimentano la rete elettrica cittadina,•l’energia fornita è legata alla differenza di potenziale elettrico caratteristica della sorgente di energia,•l’unità di misura del potenziale elettrico, o “voltaggio”, è il volt (simbolo V),•in un circuito elettrico l’energia elettrica si trasforma in altre forme di energia, come energia luminosa, energia termica, oppure energia di movimento Forze elettriche-2

Aspetti didattici: - scoprire le forze che agiscono a distanza- correlare l’interazione fra oggetti elettrizzati con la loro distanza

Il pendolino elettrostatico

Attacco (spunti e continuità):- la “magia” dell’attrazione elettrica: storie e leggende

Riferimenti:- N. Ardley- Giochiamo con l’elettricità-Fabbri, 1992 - www.iapht.unito.it

Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059

Concetti:• attrazione e repulsione elettrica: cariche opposte si attirano, cariche eguali si respingono • forze a distanza: la forza di attrazione o di repulsione elettrica agisce a distanza e cresce col diminuire della distanza

Oggetti: una posata di plastica, una pallina (ottenuta sbriciolando un pezzo di polistirolo), un sottile filo di nylon, un ago e un piccolo pezzo di carta di alluminio per alimenti.

Attività: •con l’ago fare passare il filo attraverso la pallina e fermarlo con un nodo;•coprire la pallina con uno strato di carta di alluminio e appendere il filo con la pallina su un supporto in modo che possa dondolare liberamente;•avvicinare al pendolino una posata di plastica e osservare il comportamento dell’uno in rapporto con dell’altra;•strofinare poi energicamente la posata con un panno di lana, avvicinare la parte elettrizzata al pendolino e osservare,•provare a toccare il pendolino con la posata e osservare che cosa succede.

Forze elettriche-3a

Il pendolino elettrostatico

La fisica:• la forza elettrica è la forza che l’oggetto elettrizzato esercita sull’oggetto leggero attirato • lo strofinio modifica localmente le proprietà di certi oggetti rendendoli capaci di attrarre piccoli oggetti vicini;

• l’oggetto strofinato acquisisce localmente una carica elettrica e si elettrizza;• la presenza dell’oggetto elettrizzato modifica le proprietà degli oggetti vicini rendendoli capaci di essere attratti;

• la parte elettrizzata dell’oggetto esercita sugli oggetti vicini una forza attrattiva, la forza elettrica, che è diretta lungo la retta che li congiunge;

•anche l’oggetto attirato esercita a sua volta una forza eguale e contraria sull’oggetto elettrizzato.

Forze elettriche-3b

Contesto:- la conduzione dell’ attività a livello ludico e qualitativo è fattibile a tutti i livelli

- osservazioni più impegnative e misure più raffinate vanno adattate alla classe e al momento, anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore

Aspetti didattici: - imparare a usare lo strumento di misura delle grandezze elettriche

Il tester

Attacco (spunti e continuità):la “magia” delle grandezze elettriche che non si “vedono” ma di cui si conoscono molto bene gli effetti

Riferimenti:- N. Ardley- Giochiamo con

l’elettricità-Fabbri, 1992 - www.iapht.unito.it

Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059

Concetti:• tensione elettrica e sua unità di misura (volt - simbolo V)• corrente elettrica e sua unità di misura (ampere - simbolo A)• resistenza elettrica e sua unità di misura (ohm - simbolo )

Forze elettriche-4a

Oggetti: multimetro digitale, pila elettricaIl multimetro digitale ha diverse funzioni che si scelgono posizionando la barretta di selezione. • V (volt), per misure di tensione elettrica; ci sono 5 possibilità di “fondo scala”, 200 mV, 2 V, 20 V, 200

V, 1000 V; • A (ampere), per misure di corrente elettrica; ci sono 4 possibilità di “fondo scala”, 2 mA, 20 mA, 200

mA, 10 A; ) (ohm), per misure di resistenza elettrica, ci sono 6 possibilità di “fondo scala”, 200 ; 2 k, 20 k,

200 k, 2 M, 20 M; Scegliere sempre il fondo scala appena superiore al voltaggio max atteso dalla misura, per migliore

precisione.Controllare che il pulsante DC/AC non sia schiacciato per avere la misura in “corrente continua” (deve

comparire nel visore il simbolo =, con la selezione AC compare il simbolo )Ingresso dei segnali inserire un cavo nell’ingresso “COM” (ingresso “comune”) e l’altro nell’ingresso al

lato destro, tranne per le misure di alte correnti in cui l’altro connettore va collegato all’ingresso a sinistra del “COM”.

selettore

volt

ohm

ampere

Il testerPreparazione di

Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059

La fisica:• la pila è una sorgente (generatore) di tensione elettrica;• il corpo umano ha una elevata resistenza elettrica, che però si abbassa notevolmente se la pelle è umida;• anche il corpo umano funziona come un modesto generatore di tensione elettrica, grazie ai sali disciolti nei fluidi che impregnano le cellule;• la corrente che circola nel corpo è modesta, anche se ai capi viene collegata una pila da 4,5 V • quando però si applicasse una tensione di 220 V, come quella della rete, la corrente diventerebbe di parecchi mA e darebbe effetti molto dannosi per le cellule.

Attività: utilizzare un multimetro digitale per la misura di diverse grandezze elettricheMisura della tensione di una pila:- posizionare il selettore su 20 V;- collegare l’ingresso COM al polo - di una pila da 4,5 V, l’ingresso “ A V” al polo + della pila e verificare che

la tensione ai capi della pila è effettivamente vicino ai 4,5 V nominali;- scambiare i due collegamenti e verificare che sul visore la misura della tensione compare con il segno “-”;- misurare la tensione di altre pile elettriche;Misure elettriche nel corpo umano- posizionare il selettore su 20 M;- tenere in una mano il cavo collegato all’ingresso COM e nell’altra il cavo collegato all’ingresso “ A V”

cercando di fare un buon contatto e misurare la resistenza elettrica;- rimisurare la resistenza dopo aver inumidito leggermente le dita;- posizionare il selettore su 2V e ripetere la misura precedente, prima con le mani ben asciutte e poi con le dita

inumidite;- formare una catena di due o tre persone che si tengono (strettamente) per mano e misurare la tensione fra l’inizio

e la fine della catena;- posizionare il selettore su 2mA e verificare che la corrente è minore di 2mA;- ripetere la misura collegando in serie una pila da 4,5V e misurare la corrente che circola con le dita inumidite.

Forze elettriche-4b

COM A V

+-

volt

ohm

ampere

selettore

COM A V

+-

Aspetti didattici: - la tensione elettrica (ddp) in analogia con differenze di livello- la pila come sorgente di energia elettrica

La pila all’aceto

Attacco (spunti e continuità):- la “magia” dell’elettricità: storie e leggende

Riferimenti:- N. Ardley- Giochiamo con l’elettricità - Fabbri, 1992 - www.iapht.unito.it

Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059

Concetti: • cariche elettriche• tensione elettrica• corrente elettrica

Oggetti: alcune lamine di rame ed altrettante di alluminio, alcuni vasetti di vetro e con diametro maggiore di quello delle lamine, cavetti elettrici, aceto, tester.

Attività: • unire una lamina di rame con una di alluminio (coppia bimetallica – foto a ); •prendere un numero di vasetti pari agli elettrodi che si ha intenzione di impiegare e riempirli di aceto;•inserire i due elettrodi di una coppia a cavallo di due vasetti avendo cura che in ogni vasetto ci siano sempre due elettrodi di tipo diverso; •nel primo e nell’ultimo vasetto inserire l’elettrodo singolo del tipo che manca e collegarlo a uno degli ingressi del tester (foto b);•con la selezione del tester posta su “V” si può misurare la differenza di potenziale prodotto, con la selezione posta su "mA" si misura la corrente

Forze elettriche-5a

lamina di alluminio

lamina di rame

(a) (b)

La pila all’aceto

La fisica:

• per mantenere la corrente elettrica nel circuito è essenziale avere una pila elettrica o qualche altro dispositivo che tenga in moto le cariche; la pila ha l’effetto di separare le cariche positive e negative

• la pila svolge questo ruolo, grazie alle diverse reazioni chimiche che avvengono vicino ai suoi due poli.

• i due poli sono composti da metalli diversi e si comportano diversamente nei confronti delle cariche elettriche: - uno (il rame) tende a perdere elettroni - l’altro (lo zinco o l’alluminio) tende a mandare in soluzione lo ione positivo (e quindi rimane carico negativamente)

Forze elettriche-5b

Contesto:- la conduzione dell’ attività a livello ludico e qualitativo è fattibile a tutti i livelli- osservazioni più impegnative e misure più raffinate vanno adattate alla classe e al momento, anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore

Aspetti didattici: - circuito chiuso- la pila come sorgente di energia elettrica

E luce sia!

Attacco (spunti e continuità):- la “magia” dell’elettricità: storie e leggende

Riferimenti:- N. Ardley- Giochiamo con l’elettricità- Fabbri, 1992 - www.iapht.unito.it

Preparazione di Esperienze Didattiche di Fisica - classe A059

Concetti: • la corrente, per circolare, necessita di un circuito chiuso• gli elementi del circuito sono: pila, lampadina, tester• in un circuito elettrico l’energia elettrica si trasforma in altre forme di energia, come energia luminosa, energia termica, oppure energia di movimento

Oggetti: una lampadina da torcia elettrica, cavetti elettrici, tester,

Attività: • Attività introduttive: provare ad accendere la lampadina connettendola in modo corretto ai morsetti (polarità) della pila•montare il circuito come in figura

Forze elettriche-6a

A

amperometro

lampadina

E luce sia!

La fisica:

•perché la corrente scorra occorre che il circuito sia chiuso e che ci sia una sorgente di energia (pila) che tiene le cariche in moto

• la corrente, circolando nel filamento sottilissimo della lampadina, lo scalda (effetto Joule)

• il filamento, diventato incandescente, emette luce

•trasformazioni di energia: energia. elettrica energia termica energia radiante

Forze elettriche-6b

Contesto:- la conduzione dell’ attività a livello ludico e qualitativo è fattibile a tutti i livelli- osservazioni più impegnative e misure più raffinate vanno adattate alla classe e al momento, anche in previsione di un raccordo con la scuola secondaria superiore