RELAZIONE DI FISICA

Argomento: Esperimenti di elettricità

Descrizioni: I legge di Ohm

II legge di Ohm

Ponte di Wheatstone

Pile

Tipo di relazione: qualitativo- quantitativo

Data:

Durata: circa 2 ore

CENNI STORICI

I fenomeni elettrici nell'antichità erano studiati dai filosofi

Le prime testimonianze storiche di fenomeni elettrici sono attribuibili a due filosofi: Talete di Mileto (VI sec. a.C.) notò che una resina fossile, l'ambra (in greco 'elektron'), se strofinata attira particelle leggere; Aristotele (IV sec. a.C.) constatò che fenomeni luminosi possono prodursi per attrito e studiò le proprietà magnetiche del ferro.

Si deve però aspettare il 1600, quando lo scienziato inglese William Gilbert pubblicò il De magnete, perché venga formulato in maniera più precisa il concetto di effetto elettrico e scoperta anche la differenza tra i materiali isolanti e quelli conduttori.

Le nuove teorie settecentesche

Dal Settecento in poi si svilupparono ulteriormente gli studi di elettrostatica e si cominciò a studiare anche l'elettricità atmosferica: nel 1750 un americano, Benjamin Franklin, inventò il parafulmine. Oltre che studiati a scopi scientifici, i fenomeni elettrostatici vennero usati, in questo periodo, come giochi d'intrattenimento, per sbalordire nei salotti o sulle piazze. Luigi Galvani (1737-98), medico bolognese, iniziò nel frattempo delle sperimentazioni con le rane che gli fecero ipotizzare l'esistenza di un'attività elettrica nei tessuti animali.

L'invenzione della pila

Sulla base di queste osservazioni Alessandro Volta, nel 1799, costruì la prima pila, un generatore di corrente: in tal modo spiegò che le contrazioni della rana erano dovute all'archetto bimetallico che la toccava, provocando appunto una "corrente elettrica" e non a una corrente nel tessuto della rana.

Numerosi furono i modelli di pila realizzati in seguito, tra cui la prima pila a secco, ideata dal francese Leclanché nel 1868. Le batterie di pile, perfezionate, furono adottate nelle prime distribuzioni a corrente continua per l'alimentazione di telegrafi, telefoni e per l'illuminazione dei mezzi di trasporto.

CENNI   STORICI

Le macchine elettriche

Fino alla metà del XIX secolo il mondo industriale era ancora dominato dalla macchina a vapore.

Nel 1860 Antonio Pacinotti, con uno speciale "anello", riuscì a ottenere una corrente continua indotta: nacque la dinamo, macchina elettrica di buon rendimento.

Nel 1882, a New York, Thomas Edison installò la prima centrale elettrica urbana; nel 1883 curò l'allestimento della centrale di Milano, la prima in Europa e la seconda nel mondo. Dalla fine del XIX secolo, ai generatori di corrente continua (dinamo) si affiancarono quelli a corrente alternata (alternatori), più semplici e adatti ad alimentare le lampade per l'illuminazione di edifici e strade. Il motore a corrente alternata metteva poi a disposizione dell'industria uno strumento assai più semplice e pratico, rispetto alla macchina a vapore, per produrre energia meccanica.

L'affermazione dell'elettricità nel nostro secolo

Lo sviluppo delle macchine elettriche e dell'elettronica favorì un grande incremento delle comunicazioni (telegrafo elettrico, telefono, radio, televisione) e dei trasporti (treni, tram elettrici.). Vennero impiantate numerose centrali elettriche, di ogni tipo, che sono diventate i punti nodali dell'attuale sistema industriale.

LA CORRENTE CONTINUA E LA CORRENTE ALTERNATA

Nei generatori chimici (pile) e nella dinamo si produce corrente continua (c.c.), perché i poli (negativo e positivo) rimangono sempre gli stessi e gli elettroni fluiscono, attraverso il conduttore, sempre nello stesso senso.

Negli alternatori, invece, si ha una continua inversione di polarità, per cui gli elettroni si muovono alternativamente in un senso e nell'altro, dando origine a una corrente alternata (c.a.).

IL CIRCUITO ELETTRICO

Il circuito elettrico è un insieme di corpi conduttori in cui circola corrente elettrica. Esistono diversi tipi di circuiti elettrici, ma tutti contengono almeno quattro elementi fondamentali:

un generatore (G) ovvero una sorgente di energia che fa muovere gli elettroni;

dei fili conduttori di collegamento;

un interruttore (T);

un apparecchio utilizzatore che trasforma l'energia elettrica in un'altra forma di energia (ad esempio una lampada).

Il verso della corrente elettrica è diretto dal polo negativo (-) a quello positivo (+) dato che gli elettroni sono attratti dal polo positivo. Però, per convenzione, si ammette che la corrente circoli nel verso opposto (come se a muoversi fossero i protoni), ovvero dal polo positivo a quello negativo.

GRANDEZZE ELETTRICHE FONDAMENTALI

Tensione o differenza di potenziale (d.d.p.) misurata in Volt (V);

Intensità di corrente (I) misurata in Ampère (A);

Resistenza elettrica (R) misurata in Ohm (

Potenza elettrica (W) misurata in Watt (W).

CURIOSITA'

CURIOSITA'

I cavi elettrici

I cavi elettrici sono formati da uno o più fili di materiale conduttore isolati fra loro.

Il conduttore più usato è il rame che, oltre ad avere una bassa resistività, può essere anche ridotto facilmente in fili sottili e resistenti. La scelta dei cavi (o meglio della loro sezione) dipende dalla corrente che devono trasportare e, negli impianti domestici, varia da un minimo di 0,5 mm² a un massimo di 6 mm².

Per l'isolamento dei cavi si usano in genere materiali termoplastici che hanno un'elevata resistenza elettrica e meccanica e sono molto flessibili.

I rivestimenti isolanti sono anche contraddistinti da un preciso colore. L'uso dei colori è molto utile perché permette di distinguere la funzione di ogni conduttore, facilitando così le riparazioni o eventuali ampliamenti dell'impianto.

I cavi telefonici hanno un aspetto caratteristico poiché contengono un numero elevato di conduttori, isolati fra loro, con una piccola sezione (qualche decimo di millimetro); trasportano infatti delle correnti di bassa intensità. Essi sono avvolti assieme ad elica e assomigliano a una corda protetta da un rivestimento esterno.

I cavi per la ricezione televisiva (per le antenne) sono detti ad alta frequenza, adatti cioè a condurre trasmissioni radiotelevisive. Essi prendono il nome di cavi coassiali poiché sono formati da un conduttore interno pieno e da uno esterno, ad esso concentrico. Quest'ultimo è formato da un intreccio di sottili fili di rame.

Colori dei rivestimenti:

Marrone- Grigio o Nero - FASI

Blu chiaro - NEUTRO (stesso potenziale di terra)

Giallo- Verde - TERRA (conduttore di protezione).

LEGGI DI OHM

I legge di Ohm

Le tre grandezze principali (intensità, tensione e resistenza) sono legate da una relazione di fondamentale importanza, definita legge di Ohm, dal nome del suo enunciatore.

La differenza di potenziale agli estremi di un conduttore, percorso da corrente elettrica, è uguale al prodotto dell'intensità di corrente per la resistenza:

V = R x I

II legge di Ohm

La resistenza elettrica di un conduttore dipende dalla natura del materiale, dalla lunghezza, dalla sezione trasversale e dalla temperatura.

Indicando con:

il coefficiente di resistività che dipende dalla natura del materiale,

l la lunghezza del conduttore,

s la sezione del conduttore,

R la resistenza,

abbiamo:

R = ρ x l / s

La resistenza elettrica è dunque maggiore quanto più elevate sono la resistività e la lunghezza del conduttore e quanto minore è la sua sezione.

Per alcuni valori della resistività si vedano i valori in tabella nella sezione CURIOSITA'.

ESPERIMENTO I

Materiale occorrente: Voltmetro collegato in parallelo

Amperometro collegato in serie

Trasformatore- Raddrizzatore

Basetta con resistenza e fili di materiale condut-

tore di diversa lunghezza e sezione

Dati: portata del Voltmetro: 30 V

portata dell'amperometro: 1 A

differenza di potenziale applicata: 4 V, 6 V, 8 V, 12 V

Preparazione: Costruiamo il circuito in fig. 1.

ESPERIMENTO I

Tabelle e grafici: I dati ottenuti sono stati riportati nelle tabelle 1 e 2.

Conclusioni: Dalla tabella 1 emergono valori alquanto variabili. Più

significativi i dati della tabella 2 poiché il rapporto V/I

rimane costante e se ne deduce una resistenza di 23,46

La prima legge di Ohm è dunque verificata in quanto la

corrente I che attraversa R è direttamente proporzionale

alla d.d.p. a cui è sottoposto.

ESPERIMENTO II

Materiale occorrente: Voltmetro

Amperometro

Trasformatore- Raddrizzatore

(trasforma la corrente da 220 V in 4-6-8-12 V e

la raddrizza da alternata a continua)

Basetta con resistenza

Preparazione: Costruiamo il circuito dell'esperimento precedente (fig.1).

Dati: d.d.p. applicata = 4 V

(con sezione costante)

lunghezza variabile del filo = 0,5 - 1 - 1,5 m

sezione del filo = 0,07 mm²

(con lunghezza costante)

lunghezza del filo = 1,5 m

sezione variabile del filo = 0,0312 - 0,07 mm²

ESPERIMENTO  II

Tabelle e grafici: I valori misurati sono riportati nelle tabelle 3 e 4.

ESPERIMENTO  II

Conclusioni: La II legge di Ohm è verificata. Infatti, dal grafico 2 si rileva

che con sezione costante il rapporto resistenza- lunghezza si

mantiene costante e pari circa a 15 / m. Dal grafico 3 si

rileva che con lunghezza costante il prodotto R x s rimane

costante e pari circa a (1,5 x 10 ) x m. Infine possiamo

dedurre la resistenza specifica del conduttore utilizzato:

Il conduttore corrispondente è dunque il nichel- cromo.

Nei calcoli ho utilizzato precisamente i valori della

seconda riga di tabella 4. Ma avrei potuto utilizzare qualsiasi

altro valore. Ad esempio:

Nei calcoli ho utilizzato precisamente i valori della prima

riga di tabella 3.

Dal grafico 3 si deduce anche il fatto che se la sezione

aumenta la resistenza diminuisce.

ESPERIMENTO  III

Obiettivo: Calcolo diretto di una resistenza in un circuito.

Materiale occorrente: Ponte di Wheatstone;

Galvanometro (Amperometro per la misurazione

di piccole quantità di corrente);

Dati: fondoscala del galvanometro = 0,003 A

R1 = 1 k

R2 = 100

R3 = 10

Preparazione: Costruiamo il circuito in figura 2.

ESPERIMENTO  III

IL PONTE DI WHEATSTONE: le misurazioni di resistenza più accurate si eseguono con un galvanometro inserito in un circuito chiamato ponte di Wheatstone, dal nome del fisico britannico Charles Wheatstone. Il circuito è costituito da tre resistenze note e una resistenza incognita, collegate fra loro in forma di rombo. Fra due angoli opposti del rombo si applica una differenza di potenziale continua e fra gli altri due angoli si inserisce un galvanometro. Se tutte e quattro le resistenze sono in rapporto fisso fra loro, la corrente che scorre nei due bracci del circuito è uguale e il galvanometro non segna passaggio di corrente. Variando il valore di una delle resistenze note, si può equilibrare il valore di una resistenza incognita, calcolandone poi il valore da quello delle altre resistenze.

Elaborazione: Dato che:

allora, dividendo membro a membro, otterremo:

e quindi:

Sostituendo:

ESPERIMENTO  IV

Materiale occorrente: Pile di diversa tensione

Tester

Procedimento: Abbiamo collegato in serie più pile dello stesso voltaggio,

in modo che il polo negativo di un elemento fosse a

contatto con il polo positivo del successivo. Ottenuta una

batteria di pile, abbiamo verificato che alle estremità la

tensione è uguale alla somma di quelle dei singoli

elementi. Collegando, invece, le pile in parallelo, unendo i

poli positivi tra loro e i poli negativi tra loro, la tensione

totale è risultata uguale a quella di una singola pila.

L'intensità di corrente è stata pari alla somma delle

intensità di ogni elemento (fig. 3 e 4).

Note: Grazie ai tester abbiamo anche potuto verificare che la differenza di

potenziale tra la corrente in uscita dal generatore e quella misurata

agli estremi della resistenza di un circuito misurava 0.4 V.