CIRCUITI

Si ricostruiscono, insieme agli studenti, gli appunti delle lezioni. Le lezioni dialogate, costituite da domande stimolo, esplorazioni di applet, esperimenti mentali guidati da immagini viste al computer e disegni con carta e penna, sono fedelmente ricostruite

A cosa fa pensare la parola “circuito”? Oltre a quelli elettrici, ricordiamo quelli idraulici, quelli automobilistici….

Che caratteristiche hanno? Esiste un supporto che deve essere adatto al “portatore”: spieghiamo meglio. L’acqua scorre nei tubi, le cariche elettriche nei materiali conduttori, nel caso automobilistico il supporto è la strada che ha una forma (circuito aperto o chiuso) ed è fatta di un materiale adatto al movimento delle automobili.

Cosa accade al  flusso di automobili se una strada è interrotta? Il flusso di auto può continuare o dopo un po’ si fermano?

Cosa accade a due vasi collegati da un tubo, inizialmente a livello diverso?

Cosa accade a due corpi conduttori collegati da un filo elettrico, inizialmente con diversa densità di carica?

 pompa idraulica0 collegamento conduttori x circuitoconduttori

In tutti questi casi abbiamo notato facilmente che il flusso é transitorio: inizia perché c’è una differenza, poi la differenza finisce e il fenomeno si ferma.

La differenza di livello nel caso idraulico è stata riconosciuta subito come causa del flusso, abbiamo osservato anche che la “differenza di livello” nel caso dei vasi comunicanti è utile perché essa genera energia: l’acqua in movimento verso il vaso di sinistra può mettere in moto una turbina e fare lavoro (esempio del mulino idraulico).

Poi abbiamo osservato: ma l’acqua, e tutti gli altri corpi, cadono sempre dall’alto verso il basso? Ci siamo accorti subito che accade sempre, per effetto della forza di gravità; poi abbiamo detto che, visto che ogni volta che l’acqua è in alto, cadendo, trasferisce la sua energia cinetica ad un utilizzatore, essa, è in grado di fornire energia: (contiene un’energia potenziale).


mulino
ruota_idraulica

Nel caso elettrico, abbiamo spiegato il passaggio spontaneo dalle zone con maggiore densità di carica a quelle con minore densità di carica. A questa capacità della differenza di densità di carica di mettere in movimento gli elettroni abbiamo dato il nome di tensione (energia potenziale elettrica). Sugli effetti del passaggio di corrente elettrica nei fili delle nostre abitazioni, era evidente il beneficio. Che fossero gli elettroni in movimento a produrre i benefici, ed in che modo, abbiamo rimandato allo studio degli effetti della corrente per capire come gli utilizzatori (elettrodomestici) sfruttassero questi effetti come beneficio.

In tutti i casi, perciò ci interessa avere un flusso continuo, che trasporta l’energia necessaria ai nostri utilizzi… Cosa bisogna fare perché il flusso non si fermi?

  • Bisogna avere un circuito chiuso, così l’acqua torna al livello più altro  vaso di destra e può scendere di nuovo (nel caso idraulico), o gli elettroni possono tornare nel conduttore (colorato in grigio) mantenendo una tensione che spinge gli elettroni a percorrere sempre il filo (assicurare corrente elettrica).

Nel primo caso è la forza di gravità a mettere in movimento l’acqua, che potrà trasferire l’energia ai suoi utilizzatori, nel secondo caso è la forza elettrica.

  • In tutti e due i casi bisogna ripristinare le condizioni di partenza con dei dispositivi:  nel primo caso  usando una pompa che riporta l’acqua nel serbatoio in alto e ripristina un dislivello, e  nel secondo con una comune pila (se il circuito è piccolo). In questa fase bastava osservare che la pila si comporta come una pompa.
pompa idraulica schema pila-circuito

Ma in questa fase, per riportare l’acqua in alto, si ottiene energia o ne spendiamo? (é stato facile ottenere delle risposte corrette, anche perché supportate dall’esperienza di dover agire con la forza muscolare contro l’azione della gravità):

per riportare l’acqua in alto si spende energia esercitando una forza opposta a quella di gravità; ma la pila, che sappiamo dall’esperienza di tutti i giorni, che fornisce energia, contro chi esercita la sua “forza elettromotrice” (cioè la forza che mette in movimento gli elettroni) per assicurare una tensione (maggiore densità di carica nel conduttore grigio, rispetto a quello bianco)? 

Spende energia contro le forze elettriche che si esercitano tra cariche dello stesso segno: spontaneamente esse si allontanano cercando di distribuirti in maniera uguale nello spazio a disposizione, la pila fa il “lavoro” di avvicinarle e concentrarne la maggior parte solo su uno dei suoi poli. Esercita questo lavoro contro la forza elettrica, che cerca di respingerle.
Questo secondo ragionamento è stato più complesso ed ha richiesto più tempo del previsto. Il supporto di disegni è stato fondamentale.

Non ho avuto modo di trovare simulazioni o spiegazioni che rendessero “visibile” il concetto.

Le diverse condizioni e ragionamenti (circuito chiuso/aperto;  con/senza generatore) sono state sperimentate con il supporto dell’applet indicata qui di seguito. In una fase iniziale dall’uso dell’applet della Colorado University:

https://phet.colorado.edu/it/simulation/legacy/circuit-construction-kit-dc

Kit per circuiti elettrici (corrente continua), laboratorio virtuale

Clicca per eseguire

L’applet consentiva di costruire dei circuiti di qualsiasi forma e con i componenti essenziali (filo, resistenza, pila, lampadina), variandone il numero e regolando le intensità a proprio piacimento. Il circuito ha consentito di esplorare qualitativamente e visivamente (anche senza che fosse ancora chiaro il significato di resistenza, le relazioni tra corrente, tensione e resistenza, evidenziate dalla velocità delle cariche in movimento (non abbiamo usato le convenzioni sulla corrente, per cui la corrente, come è il fatto fisico reale, per noi è stato il movimento degli elettroni nel tempo).

Domande tipo:

  • La corrente è maggiore quando gli elettroni sono lenti o sono veloci?
  • La corrente aumenta o diminuisce se aumentiamo la tensione?
  • La corrente aumenta o diminuisce se aumentiamo la resistenza?

Il supporto visivo  e la possibilità di manipolare liberamente, faceva rilevare correttamente la conferma delle intuizioni.

Circa la tensione è stata d’aiuto l’analogia idraulica: la portata d’acqua è tanto più veloce quanto più alto è il dislivello (o più potente è la pompa).

Così ho introdotto la resistenza dicendo che  è una condizione di “attrito” per cui gli elettroni vengono rallentati: diciamo che la resistenza è tanto più elevata tanto più gli elettroni sono costretti a rallentare. (prima legge di Ohm).

Essa dipende dalle caratteristiche del filo (seconda legge di Ohm), ed ho introdotto anche qui una analogia idraulica:

  • l’acqua fa più fatica e rallenta in un tubo “largo” (area della sezione) o in uno stretto?
  • Se ho due tubi uguali (stessa sezione), ma uno lungo e l’altro corto: l’acqua rallenterà di più nel tubo lungo o in quello corto?resistenza tubi

La prima relazione è stata colta con facilità (nonostante sia una funzione decrescente), mentre la seconda ha destato imbarazzo e frequenti ripensamenti.

Una seconda analogia: corsa in un corridoio affollato. Se stai correndo e giungi in un corridoio affollato, sei costretto a rallentare: una volta percorso tutto il corridoio, hai rallentato di più se il corridoio è largo o stretto? Se la folla è tanta o poca? Se il corridoio è lungo o corto?

In questo modo siamo riusciti a cogliere i significati dei concetti introdotti dalle domande stimolo. Di una certa utilità si sono rivelate le applet qui sotto riportate.


https://phet.colorado.edu/it/simulation/legacy/ohms-law

 

https://phet.colorado.edu/it/simulation/legacy/resistance-in-a-wire