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Il circuito elettrico: corrente, tensione, potenza

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:

  • Un generatore di corrente (es. pila)

  • Un utilizzatore (es. lampadina)

  • Fili conduttori (generalmente in rame)

  • 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 è proprio 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.

 

La 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.

 

Corrente e tensione possono essere misurate attraverso l’utilizzo di un tester: strumento facilmente reperibile a costi davvero contenuti. Facciamo qualche esperimento.

 

Esperimenti con un circuito elettrico semplice

Scegli come svolgere questi esperimenti:

 

Esperimenti con un circuito materiale

Materiale necessario

  • 1 multimetro
  • cavetti elettrici
  • 2 generatori: uno da 4,5 Volt e uno da 9 Volt
  • 3 lampadine: una da 3,5 Volt, una da 4,5 Volt e una da 12 Volt
  • 1 portalampada

Proviamo a misurare con il tester la tensione effettiva dei generatori di corrente che abbiamo a disposizione. Cosa osserviamo?

 

Esperimento 1: stessa lampadina, diversi generatori

Prendiamo un circuito elettrico costituito da un generatore da 4,5 V ed una lampadina da 12 V.
Misuriamo la tensione ai capi della lampadina e la corrente che la attraversa.

Ora sostituiamo il generatore con uno da 9 V. Cosa osserviamo? La corrente è maggiore o minore rispetto a quella misurata con il generatore da 4,5 V? Perché?
Ripetiamo le misure e confrontiamole con le misure rilevate precedentemente.

Che conclusioni possiamo trarre da questo esperimento?

Esperimento 2: stesso generatore, diverse lampadine

Prendiamo un circuito elettrico costituito da un generatore da 4,5 V ed una lampadina da 4,5 V.

Misuriamo la tensione ai capi della lampadina e la corrente che la attraversa.

Ora sostituiamo la lampadina con una da 3,5 volt. Cosa osserviamo? La corrente è maggiore o minore rispetto a quella misurata con la lampadina da 4,5 V?
Ripetiamo le misure e confrontiamole con le misure rilevate precedentemente.

Ora sostituiamo la lampadina con una da 12 volt. Cosa osserviamo? La corrente è maggiore o minore rispetto a quella misurata con la lampadina da 4,5 V?
Ripetiamo le misure e confrontiamole con le misure rilevate precedentemente.

Che conclusioni possiamo trarre da questo esperimento?

La potenza

La grandezza che indica l’energia liberata per unità di tempo è la potenza, che si misura in watt.

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.

 

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.

 

Esperimenti 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 10 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

Esperimento 1: stessa lampadina, diversi generatori

Costruiamo un circuito elettrico con un generatore da 4,5 V ed una lampadina da 17,5 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. 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?

Che conclusioni possiamo trarre da questo esperimento?

Esperimento 2: stesso generatore, diverse lampadine

Prendiamo un circuito elettrico costituito da 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 nella tabella.

Ora sostituiamo la lampadina con una da 17,5 Ω (Ohm). Quanto vale la corrente?
Ripetiamo le misure, appuntiamole nella tabella e confrontiamole con le misure rilevate precedentemente. La corrente è maggiore o minore rispetto a quella misurata con la lampadina da 15 Ω (Ohm)?

Ora sostituiamo la lampadina con una da 70 Ω (Ohm). Quanto vale la corrente?
Ripetiamo le misure, appuntiamole nella tabella e confrontiamole con le misure rilevate precedentemente. La corrente è maggiore o minore rispetto a quella misurata con la lampadina da 15 Ω (Ohm)?

Che conclusioni possiamo trarre da questo esperimento?

La potenza

La grandezza che indica l’energia liberata per unità di tempo è la potenza, che si misura in watt.

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.

Esercizio

Adesso calcola, per ogni valore di tensione degli esperimenti 1, il relativo valore V/I. Cosa possiamo osservare?

Presto scopriremo che questo valore rappresenta una grandezza ben precisa…

 

TRATTO DA:

L’elettricità spiegata ai ragazzi – energialeggera.it

I circuiti elettrici – fumanescuola.it

 

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