Sperimentiamo l’elettricità

Obiettivi

            Riconoscere le differenze tra un circuito in serie ed uno in parallelo

Saper valutare la resistenza totale in entrambi collegamenti

Saper usare gli  strumenti di misura

Individuare la potenza a vuoto e a carico

Utilizzo del contatore per la misura di potenza

Contenuti

Questa unità didattica è il diretto proseguimento della precedente alla quale rimando sia per la definizione dei vari parametri, che per il formulario prodotto e utilizzato

I contenuti possono essere così distinti.

Circuiti in serie: calcolo della resistenza totale, della corrente di serie, delle tensioni ai capi degli utilizzatori. Circuito in parallelo: calcolo delle singole correnti  e della resistenza totale; applicazione a due sole resistenze e a più resistenze uguali.

Valutazione della potenza assorbita; valutazione della sua variazione sullo stesso apparecchio, in base alla riduzione di tensione applicata.

Concetto di energia; valutazione in base al tempo; misura tramite il contatore sia dell’energia consumata che della potenza assorbita.

Metodo e attività

Partendo da semplici esempi che i ragazzi possono riscontrare in casa o nella normale vita quotidiana, è possibile introdurre i due circuiti diversi utilizzati per le applicazioni elettriche.

Il collegamento in serie tipico, è quello delle luci dell’albero di Natale.

Riproponendolo in laboratorio, utilizzando delle lampadine, si può far vedere che se se ne interrompe una,  tutto il circuito si apre, precludendo il funzionamento delle altre. Utilizzando dei resistori di recupero di vecchie tv o  di altro materiale elettronico, si può preparare un circuito elettrico sul quale verificare, ragionare, calcolare. Esse sottoposte ad una determinata tensione prelevata dall’alimentatore a disposizione del laboratorio, saranno attraversare da una certa corrente misurata con l’amperometro collegato su un cavo che alimenta il circuito (vedi schema allegato). Essa è la corrente della serie ( Is ), che non varierà attraversando gli utilizzatori del collegamento. Questo è un concetto importante che varrà per tutti i circuiti di questo tipo. Utilizzando un tester di precisione sulla misura della tensione, è possibile visualizzare i valori di differenza di potenziale ai capi di ciascun resistore; sommandoli fra loro ritornerà il valore della tensione totale erogata dall’alimentatore. Anche la resistenza totale sarà data dalla somma del valore di ciascuna.

Il collegamento in parallelo è il più diffuso. In casa, a scuola, in fabbrica tutte le apparecchiature sono collegate in questo modo. Infatti questa soluzione ci permette di rendere ciascun utilizzatore autonomo dagli altri e accenderlo o spegnerlo in maniera del tutto indipendente.

Nel riproporlo in laboratorio, utilizzando le stesse lampadine  e resistenze della prima esperienza possiamo subito dimostrare quanto affermato. L’amperometro, ci segnerà ad ogni collegamento di ciascun resistore, un aumento di corrente assorbita. Infatti qui è la corrente che varia e il suo valore totale è dato dalla somma di quella assorbita da ciascun resistore. E’ la tensione a rimanere costante ed è sempre la stessa applicata ai capi di ciascun resistore ( vedi schema allegato). Utilizzando i valori letti negli strumenti si può ricavare la resistenza totale,  sempre inferiore al valore della resistenza più piccola. Tale verifica si può fare utilizzando il tester in posizione “ohmmetrica” (misura della resistenza). Ciò confermerà la formula già conosciuta che si utilizza nel caso di parallelo cioè:

1 / RT = 1 / R1 + 1 / R2 + 1 / R3 + …

Lo stesso esperimento può essere eseguito con sole due resistenze e con diverse resistenze uguali e verificare come si ripropone la formula qui scritta.  

Utilizzando i dati ed i circuiti già visti si introduce il concetto di potenza che è data dal prodotto della tensione e corrente. Si presenta ai ragazzi che ciascun utilizzatore  viene progettato e realizzato per i valori di targa che devono essere mantenuti, a rischio della distruzione dell'apparecchio (ad esempio utilizzando una tensione più elevata)  o un uso inefficace ( con una tensione ridotta); ciò perché c’è un dato fisico che non varia: la resistenza di progettazione e di costruzione,

 Con  un appropriato variatore di tensione, delle morsettiere per il collegamento degli strumenti e per la messa in sicurezza del circuito, si può collegare un qualsiasi elettrodomestico a 220 v (una stufetta elettrica, un riflettore, una griglia elettrica), si verifica la potenza ( P = U * I ) e come questa varia riducendo la tensione in base alla quadrato della corrente  ( P = R * I2 ).

  Disponendo di un contatore del tipo di quelli montati dall’Enel nelle nostre abitazioni ( il nostro laboratorio è fornito di uno di recupero) si può confrontare l’energia assorbita dall’utilizzatore leggendo semplicemente il tempo impiegato per compiere un determinato numero di giri del disco di lettura; si calcolano i giri compiuti in un secondo. Dividendo quel valore per la costante numerica dell’apparecchio (numero giri del disco che corrispondono ad un kwh) , riportata sullo strumento, si risale all’energia effettivamente  consumata in  kwh. Per calcolare la potenza impiegata, occorre dividere il valore trovato dell’energia, col tempo misurato, ricordandoci però di trasformarlo in ore

Tale esercitazione si può riproporre ai ragazzi, chiedendo di andare a leggere il loro contatore di casa e verificare in quel momento la potenza impegnata dall’abitazione.

In laboratorio gli allievi possono montare, su dei pannelli, semplici circuiti funzionanti a pile, per riproporre le esperienze effettuate, che dovranno poi presentare.

E’ possibile inoltre smontare piccoli elettrodomestici, anche non più funzionanti, per applicarli su dei quadri esplicativi, aperti nel loro interno e indicare le varie parti elettriche e meccaniche di cui sono costituiti; un apparecchio obsoleto o non più funzionante ha ancora questa valenza didattica, che conferma ancora l’importante concetto ecologico del recupero.

 

Verifiche

Esse saranno effettuate sull’applicazione dei parametri già conosciuti. In particolare saranno verificate la corretta applicazione delle formule, dei simboli e delle unità di misura.

Inoltre sarà valutato l’uso e la conoscenza del Tester quale strumento polivalente.

Anche gli aspetti grafici dei circuiti saranno oggetto di opportuni controlli.

Le realizzazioni pratiche dei ragazzi, dovranno essere stimolo per una corretta presentazione, completa di osservazioni, considerazioni, valutazioni, che saranno opportunatamente valutate.

Anche il calcolo della potenza sul contatore di casa sarà oggetto di verifica.

 

Glossario

Tester Analizzatore multimetrico. Si tratta di uno strumento di misura di parametri elettrici, capace di misurare, opportunatamente commutato, diverse grandezze elettriche. Ne esistono di analogici (con la lancetta) e digitali ( con display numerico).

 

Discipline coinvolte

Scienze e Matematica. Continuano gli interventi comuni con questa disciplina a proposito di questi argomenti. Gli aspetti matematici di calcolo  sono diversi, così come diverse sono le formule usate. Nel collegamento in parallello si parla anche di proporzionalità inversa nel caso della resistenza totale. Anche la conversione delle unità di misura si presta ad essere curata dalla disciplina.

Ed. Civica . Se ne parlato proprio durante in questo anno scolastico delle nuove unità di misura adottate da sistema europeo. Sarebbe piuttosto interessante recuperare le direttive CEE 98/617/CEE e 80/181/CEE relative all’attuazione delle nuove grandezze da utilizzare, tra le quali appunto la potenza esclusivamente in watt  e non in Kcalorie/ora.

 

Bibliografia

Hòbscher e altri “Lezioni ed esercizi di elettrotecnica” Ed. La Scuola 1987 Brescia

Baronio e altri “Manuale degli impianti elettrici” Editoriale Delfino 1990 Milano

A.     Del Gaudio “Sistema Internazionale delle Unità di misura” Ed. Calderini 1984 Bologna

Silvano Fuso “Facili esperimenti scientifici” EDIFAI Gavi (Al) 1994


Sant’Angelo in Vado 3.6.00

Prof. Giuseppe Dini