Cos’è un circuito elettrico
Un circuito elettrico è un percorso chiuso in cui circola una corrente elettrica. Se il circuito viene aperto, ad esempio con un interruttore, la corrente non può circolare.
Componenti principali di un circuito elettrico
Le parti principali di un circuito elettrico sono:
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Un generatore di corrente (es. pila)
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Un utilizzatore (es. lampadina)
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Fili conduttori (generalmente in rame)
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Un interruttore (serve ad aprire e chiudere il circuito)
Grandezze elettriche fondamentali
Per comprendere il funzionamento di un circuito elettrico occorre conoscere alcune grandezze elettriche fondamentali.
La tensione, o differenza di potenziale elettrico
La circolazione di corrente elettrica in un circuito elettrico avviene attraverso una spinta che gli elettroni ricevono. La differenza di potenziale elettrico o Tensione è la capacità di spingere gli elettroni lungo un circuito elettrico. La sua unità di misura è il Volt (V). Nel circuito del disegno, viene fornita dal generatore: la pila.
L’intensità di corrente elettrica
La corrente elettrica è il flusso di cariche elettriche che si muove attraverso un conduttore che fa parte di un circuito elettrico. L’Intensità della corrente (I) è data dal numero di cariche elettriche che in un secondo attraversano una sezione del circuito. L’unità di misura dell’intensità della corrente è l’Ampere(A). La corrente ha l’intensità di 1 A quando attraverso un circuito elettrico passa un Coulomb in un secondo. (1 Coulomb è la carica formata da 6.240.000.000.000.000.000 elettroni!)
Gli elettroni che circolano nei conduttori producono energia termica. Questo effetto è chiamato effetto Joule. Grazie a questo effetto, parte dell’energia prodotta da una pila si trasforma in calore che viene ceduto all’ambiente circostante.
Esperimenti con un circuito elettrico semplice, con simulatore PhET
Usa il simulatore in questa pagina, oppure apri il sito PhET Colorado. Se hai difficoltà a usare il simulatore, guarda questi tutorial: Circuiti elettrici: il simulatore PhET
Costruiamo un circuito elettrico con un generatore da 4,5 V ed una lampadina da 15 Ω (Ohm).
Cosa succede se chiudiamo il circuito? Proviamo a inserire nel circuito, uno alla volta, i seguenti elementi: cosa osserviamo?
- interruttore
- banconota
- moneta
- fermaglio
- mano
- fusibile
- lapis
- gomma
Esperimenti con i circuiti elettrici
Esercizio 1
Con il simulatore PhET Colorado costruisci i seguenti circuiti e misura con l’amperometro la corrente al variare della tensione del generatore.
Sul quaderno, inserisci tutti i risultati su un grafico su un piano cartesiano, ripostando in ascissa (x) l’intensità di corrente I e in ordinata (y) la tensione V. Per ogni lampadina riporta i punti del grafico con il colore corrispondente:
- punti rossi per la lampadina da 15 Ω (come sono disposti sul grafico?)
- punti gialli per la lampadina da 10 Ω (come sono disposti sul grafico?)
Esercizio 2
Calcola per ogni lampadina, valore V/I relativamente ai diversi generatori . Cosa possiamo osservare?
Presto scopriremo che questo valore rappresenta una grandezza ben precisa: la resistenza della lampadina, che si misura in Ohm.
Esercizio 3
Adesso prova a prevedere i valori della corrente al variare del generatore (1,5 / 4,5 / 9 / 12 Volt) per una lampadina da 30 Ω. Poi, verifica i valori che hai calcolato con il simulatore PhET.
Ora inserisci un fusibile nel circuito, e aumenta piano piano la tensione del generatore: cosa accade al fusibile? A cosa serve un fusibile?
I fusibili
Un fusibile elettrico (o fusibile) è un dispositivo elettrico in grado di proteggere un circuito dalle sovracorrenti (correnti troppo elevate). Il fusibile è composto da una cartuccia, attraversata da un sottile filo conduttore nel quale passa la corrente del circuito da proteggere; questo filo è l’elemento fusibile vero e proprio: quando sopraggiunge una sovracorrente, il filamento fonde provocando l’apertura del circuito, con conseguente interruzione della corrente.
Indicazioni pratiche sull’uso delle lampadine nei circuiti
In qualsiasi circuito bisogna usare la lampadina giusta, in base al voltaggio del generatore.
In ogni lampadina è indicato il valore in ampere della corrente che attraversa il filamento quando alla lampadina è applicata la tensione ideale, stampata sullo zoccolo.
Ad esempio, ’indicazione “6 V- 0,3 A” sta a indicare che in quella lampadina passa una corrente di 0,3 A quando essa è collegata a una batteria di 6 V; aumentando i volt passano più ampere: la lampadina brilla di più, ma il filamento rischia di bruciare; diminuendo i volt passano meno ampere e la lampadina si illumina di meno o non si accende affatto, ma non rischia di fulminarsi.
Con una batteria da 4,5 V andrà benissimo una lampadina di 4,5 V o leggermente superiore; non andrà bene una lampadina di 2,5 V (si brucerà prestissimo) e non sarà adeguata, neanche, una da 12 V o più, perché la tensione della batteria non avrà la forza sufficiente per accenderla regolarmente.
La potenza
La grandezza che indica l’energia liberata per unità di tempo è la potenza, che si misura in watt.
1 Watt equivale a 1 joule al secondo (1W = 1 J/s)
Un’importante legge dell’elettrotecnica ci dice che la potenza liberata P (cioè l’energia liberata in un secondo) è data dal prodotto tra la tensione V ai capi del conduttore e la corrente I che lo percorre:
P (watt) = V (volt) x I (ampere)
Prova a calcolare i valori della potenza liberata nei precedenti circuiti.
Esercizi extra
Esperimento a: stessa lampadina, diversi generatori
Costruiamo un circuito elettrico con un generatore da 4,5 V ed una lampadina da 15 Ω (Ohm).
Misuriamo la corrente che attraversa il circuito con l’amperometro e riportiamola in questa tabella:
Ora sostituiamo il generatore con uno da 1,5 V. Cosa osserviamo?
Ripetiamo le misure, appuntiamole nella tabella e confrontiamole con le misure rilevate precedentemente. La corrente è maggiore o minore rispetto a quella misurata con il generatore da 4,5 V? Perché?
Ora sostituiamo il generatore con uno da 9 V. Quanto ci aspettiamo che valga l’intensità di corrente? Perché?
Ripetiamo le misure, appuntiamole nella tabella e confrontiamole con le misure rilevate precedentemente.
Adesso calcola, per ogni valore di tensione, il relativo valore V/I. Cosa possiamo osservare?
Presto scopriremo che questo valore rappresenta una grandezza ben precisa: la resistenza della lampadina.
Adesso prova a prevedere i valori della corrente per un generatore da 12 V e per uno da 20 V.
Sul quaderno, inserisci tutti i risultati su un grafico su un piano cartesiano, ripostando in ascissa (x) l’intensità di corrente I e in ordinata (y) la tensione V.
Che conclusioni possiamo trarre da questo esperimento?
Esperimento b: stesso generatore, diverse lampadine
Prendiamo un circuito elettrico costituito da un generatore da 12 V ed una lampadina da 20 Ω (Ohm). Quanto potrebbe valere, secondo te, la corrente che attraversa il circuito? Perchè?
Misuriamola con l’amperometro e riportiamola nella tabella.
Ora scegliamo una lampadina da 10 Ω (Ohm). Quanto potrebbe valere, secondo te, la corrente che attraversa il circuito? Perchè?
Misuriamola con l’amperometro e riportiamola nella tabella.
Che conclusioni possiamo trarre da questo esperimento?
TRATTO DA:
L’elettricità spiegata ai ragazzi – energialeggera.it
I circuiti elettrici – fumanescuola.it
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