Tuo figlio frequenta le scuole medie e ti piacerebbe iniziasse a imparare le basi del mondo dell’elettricità? Dall’illuminazione ai trasporti, per non parlare delle comunicazioni, o del semplicissimo “mettere su il caffè”, parliamo di un mondo intero che non esisterebbe, senza elettricità.
Ecco allora un piccolo vademecum per avvicinare i tuoi ragazzi a questo argomento in modo semplice.Come pare sia sempre esatto fare, iniziamo dal principio, ossia dal termine “elettricità”, dalla sua etimologia.
Da dove viene il termine elettricità?
Sembra una favoletta, ma è la verità! Gli antichi greci, più di 2000 anni fa, si accorsero che strofinando dell’ambra (una specie di resina fossile) con un panno di lana, questa diventava in grado di attirare a sé fili di stoffa, pezzettini di carta, foglie, piume.
Indovina qual è il nome greco dell’ambra? Elektron, da qui nasce infatti il termine elettricità.
Tornando a noi, l’ambra strofinata si elettrizzava, acquisiva una carica elettrica, ossia la capacità di attrarre o respingere qualcosa.
Le cariche elettriche
Se strofiniamo con della lana degli oggetti di materiale diverso (ad esempio vetro e plastica) e li avviciniamo, essi potranno attrarsi oppure respingersi. Ciò dipenderà dalle cariche elettriche che abbiamo prodotto con lo strofinare il nostro oggetto.
Queste possono essere “positive” (+) oppure “negative” (-): oggetti con cariche dello stesso segno si respingono, mentre gli oggetti aventi cariche di segno diverso si attraggono.
Un qualsiasi corpo allo stato naturale, ad esempio l’ambra prima di essere strofinata, non mostra alcun fenomeno elettrico, si dice abbia uno stato elettrico neutro.
Quando gli atomi di un corpo perdono elettroni, finiscono con l’avere più protoni e quindi si trovano in uno stato elettrico positivo (avranno una carica elettrica positiva).
Se invece gli atomi di un corpo acquistano elettroni, avranno meno protoni, e si troveranno in uno stato elettrico negativo (avranno una carica elettrica negativa).
I corpi possono essere di due tipi: isolanti oppure conduttori.
- Materiali isolanti
Sono quelli che non lasciano passare le cariche elettriche, come il legno ad esempio. - Materiali conduttori
Sono quelli in cui le cariche elettriche si spostano da un punto all’altro senza problemi, come il nostro corpo, ad esempio, e i metalli, l’acqua, la terra
L'esperimento
Dopo aver capito cosa succede a un corpo elettrizzato, perché non provare con i tuoi ragazzi questo facilissimo esperimento per mettere in pratica quanto detto fin qui?
Esperimento: il pendolino elettrostatico
Occorrente: una posata di plastica, un filo di nylon, una pallina di polistirolo, un ago e un pezzo di carta di alluminio per alimenti.
Iniziamo il procedimento:
- Fai passare con l’ago il filo di nylon attraverso la pallina e fai un nodo.
- Ricopri la pallina con la carta di alluminio, quindi appendi il filo su un supporto qualsiasi in modo che la pallina possa dondolare.
- Avvicina al pendolino la posata di plastica e osserva cosa succede.
- Ora strofina la posata con un panno di lana, avvicinala di nuovo al pendolino e osserva cosa accade.
Grandezze elettriche
In ogni circuito elettrico sono presenti le seguenti grandezze elettriche:
- La differenza di potenziale (o tensione elettrica)
- La corrente elettrica
- La resistenza elettrica del circuito
- La differenza di potenziale
La circolazione di corrente elettrica in un filo avviene attraverso una spinta che gli elettroni ricevono, per passare dal punto a potenziale maggiore a quello a potenziale minore.
La differenza di potenziale è proprio la capacità di una pila di spingere gli elettroni lungo un circuito elettrico. La sua unità di misura è il Volt (V). Lo strumento per misurare la differenza di potenziale è il Voltmetro.
- La corrente elettrica
La corrente elettrica non è altro che il flusso di elettroni che si muove attraverso un conduttore (cariche elettriche in movimento). L’intensità della corrente (I) è data dal numero di cariche elettriche che in un secondo attraversano il circuito.
L’unità di misura della corrente elettrica è il Coulomb (C), e pensa che 1 C è formato da ben 6.240. 000.000.000.000.000 elettroni!
L’unità di misura dell’intensità della corrente è invece l’Ampere(A) e si dice che la corrente elettrica ha l’intensità di 1 A quando attraverso un circuito elettrico passa un Coulomb in un secondo. Per misurare quanti Ampere circolano in un circuito elettrico si usa uno strumento: l’Amperometro. Gli elettroni che circolano nei conduttori, producono energia termica, un effetto, questo, chiamato termico o effetto Joule (dal nome del fisico inglese che studiò il fenomeno). Grazie a questo effetto, parte dell’energia prodotta da una pila si trasforma in energia termica che viene ceduta all’ambiente sotto forma di calore.
- La resistenza elettrica
La resistenza elettrica è una grandezza fisica scalare, e misura la tendenza di un conduttore ad opporsi al passaggio di una corrente elettrica, quando è sottoposto a una tensione elettrica. Questa resistenza dipende dal materiale di cui è fatto il conduttore, dalle sue dimensioni e dalla sua temperatura. L’unità di misura della resistenza elettrica è l’Ohm (Ω). In realtà, in natura, non esistono materiali a resistenza nulla o infinita, per cui possiamo scrivere che 0 < R < + ∞
Ecco due esperimenti da fare sull’argomento, utilizzando un tester, strumento facilmente reperibile e a costi davvero contenuti, sempre che tu non ne abbia già uno in casa o in garage.
Il tester ha differenti funzioni, in base alla scelta selezionata:
V, Volt, per misurare la tensione elettrica
A, Ampere, per misurare la corrente elettrica
Ω, Ohm, per misurare la resistenza elettrica
L'esperimento
Misura della tensione di una pila
- Posiziona il selettore su 20 V
- Collega l’ingresso COM al polo – di una pila da 4,5 V, l’ingresso ΩAV al polo + della stessa pila e conferma che la tensione ai capi della pila sia effettivamente vicina ai 4,5 V.
- Ora inverti i due collegamenti e verifica che sul dispositivo la misura della tensione appaia col simbolo
L'esperimento
Misure elettriche del corpo umano
- Posiziona il selettore su 10 K Ω
- Tieni in una mano il cavo collegato all’ingresso COM e nell’altra il cavo collegato all’ingresso ΩAV, e misura la resistenza elettrica.
- Fai la stessa cosa dopo aver leggermente inumidito le dita
- Ora posizione il selettore su 2V e ripeti la misura, prima con le mani asciutte e poi appena inumidite.
I circuiti elettrici
Un circuito elettrico è semplicemente il percorso su cui scorre la corrente elettrica.
L'esperimento
I circuiti elettrici
Realizza il tuo circuito. Lo puoi fare semplicemente, utilizzando una lampadina, una pila e due fili metallici.
Collegando la lampadina alla pila attraverso i due fili metallici, grazie al passaggio degli elettroni, la lampadina si accende. Il circuito elettrico è chiuso, quando la corrente scorre ininterrottamente.
È interrotto quando si utilizza un interruttore per aprire e chiudere il circuito.
Composizione di un circuito elettrico
Un circuito elettrico è composto da:
- generatore (nel nostro caso la pila elettrica)
- utilizzatore (lampadina)
- conduttori (fili metallici)
- interruttore (per interrompere la corrente elettrica)
In un circuito elettrico, gli utilizzatori possono essere posizionati:
- In serie
- In parallelo
- In serie-parallelo
Esaminiamo i vari tipi di circuiti in base al posizionamento degli utilizzatori.
Circuiti elettrici in serie
Sono quei circuiti in cui gli utilizzatori sono disposti di seguito l’uno all’altro, per cui la corrente elettrica che li attraversa è la stessa per tutti.
Il problema di questo tipo di circuiti è che uno solo degli utilizzatori è danneggiato, il circuito non funziona
Circuiti elettrici in parallelo
In questi circuiti gli utilizzatori sono collegati a due punti (nodi), e gli elettroni che li attraversano non sono gli stessi.
A differenza dei circuiti in serie, questo tipo di circuito ha il vantaggio che gli utilizzatori operano tutti in modo indipendente, e il danneggiamento di uno di essi non comprometterà il buon funzionamento degli altri.
Circuiti elettrici in serie-parallelo
In questi circuiti sono presenti contemporaneamente utilizzatori in serie e in parallelo.
Il magnetismo
Il magnetismo è il fenomeno per cui alcuni materiali sono in grado di attrarre il ferro nonché trasmettere tale capacità ad altri materiali.
Calamite naturali
Gli oggetti che in natura hanno tale capacità si chiamano magneti o calamite naturali.
Una calamita esercita la sua forza di attrazione solamente alle sue estremità, mentre la zona centrale viene detta zona neutra. Inoltre questa forza viene esercitata solo nei confronti di alcuni materiali: ad esempio ferro e nichel.
Una calamita lasciata libera di girare (pensa alla bussola!) si dispone sempre secondo la direzione del Nord e del Sud. Quindi una calamita avrà un polo nord e un polo sud. Due poli opposti si attrarranno, mentre due poli uguali si respingeranno.
Inoltre, se le cariche elettriche possono essere separate, i poli di una calamita non possono mai essere separati: esistono solamente insieme nella stessa calamita. Se infatti provassimo a dividere in due una calamita, otterremo altre due calamite, ognuna con i suoi due poli.
Grazie alla forza esercitata dalla calamita, intorno ad essa si genera un campo magnetico, formato da linee di forze magnetiche che vanno dal polo Nord al polo Sud (anche la Terra ha il proprio campo magnetico!).
Calamite artificiali
Sono quelle sostanze che acquistano la capacità magnetica in seguito all’esposizione a una calamita naturale.
Si dividono in:
- permanenti, che mantengono nel tempo questa capacità magnetica, come ad esempio l’acciaio
- temporanee, che perdono questa capacità in tempi più o meno brevi, come ad esempio il ferro.
Fenomeni elettromagnetici
Magnetismo ed elettricità sono due fenomeni strettamente correlati, e due scienziati, Oersted e Faraday, scoprirono come dall’elettricità si possano creare campi magnetici e come da un campo magnetico si possa creare elettricità.
Oersted, nel 1820, scoprì che ogni volta che in un filo conduttore passa della corrente elettrica, l’ago di una bussola posta vicino, si sposta. Questo avviene perché la presenza di corrente elettrica genera un campo magnetico capace di deviare la posizione dell’ago. Il passaggio di corrente elettrica in un conduttore avvolto (solenoide) crea l’effetto elettromagnetico, che permette di trasformare un avvolgimento in un magnete. Nel campo pratico, traduciamo questo principio con la creazione del campanello elettrico.
Una decina di anni dopo, Faraday, scoprì il fenomeno inverso: se fai scorrere un magnete in mezzo a un solenoide, si origina corrente elettrica, o più esattamente, corrente indotta, e tale fenomeno prende il nome di induzione elettromagnetica.
Attraverso l’induzione elettromagnetica, possiamo trasformare l’energia di movimento in energia elettrica.
L'esperimento
Costruisci un campo magnetico a casa tua!
Procurati una bussola e una calamita.
Osserva l’orientamento della bussola quando è lontana dalla calamita e quando invece sono posizionate vicine.
Occorrente:
- Chiodo abbastanza lungo
- Filo elettrico che sarà il nostro solenoide
- Batteria, che servirà a fornire elettricità al filo
- Spilli leggeri
Cosa succederà collegando il filo alla batteria e facendolo passare intorno al chiodo?
La corrente, circolando nel filo conduttore genera un campo magnetico, e avvolgendo il chiodo con il filo conduttore, la corrente magnetizza il chiodo, che diventa così una calamita in grado di attirare gli spilli.
Questi sono alcuni esperimenti adatti a ragazzi delle scuole medie: se invece hai bimbi più piccoli, ma vorresti lo stesso avvicinarli a questo mondo, leggi questo articolo, troverai dei giochi da fare con loro per educarli al risparmio energetico, e gettare delle buone basi per il futuro.
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