6. Le leggi di Ohm

6 Le leggi di Ohm Fino ad ora hai analizzato le tre grandezze elettriche, differenza di potenziale, intensità e resistenza e hai capito che sono legate tra di loro. Agli inizi dell’Ottocento Georg Simon Ohm (32 ), in seguito a una serie di esperimenti sui circuiti elettrici, formulò due leggi che regolano le relazioni matematiche che esistono tra queste grandezze. Qual è la relazione matematica tra differenza di potenziale, intensità di corrente e resistenza?Negli schemi sono rappresentati dei circuiti formati filo conduttore, una pila e una lampadina. - Nello schema 33 le pile sono rispettivamente di 4,5 V e di 9 V, perciò i due circuiti hanno diversa differenza di potenziale. La lampadina più luminosa è quella che fa parte del circuito con la pila più “potente”: a parità di conduttore, se si aumenta la differenza di potenziale, l’intensità della luce aumenta perché è aumentata l’intensità di corrente. Analizza Che cosa varia nei due circuiti? Quale lampadina appare più luminosa? Perché? - Nello schema 34 i fili conduttori sono di materiali diversi, il secondo oppone maggiore resistenza al passaggio di corrente. La lampadina meno luminosa è quella che fa parte del circuito con il filo conduttore che oppone maggiore resistenza al passaggio della corrente: a parità di differenza potenziale, se si aumenta la resistenza del conduttore, l’intensità della luce diminuisce. Analizza Che cosa varia nei due circuiti? Quale lampadina appare più luminosa? Perché? 32 Georg Simon Ohm (1789-1854). La prima legge di Ohm afferma quindi che l’intensità di corrente è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale e inversamente proporzionale alla resistenza. In formula: I = V/R dove: I = intensità V = differenza di potenziale R = resistenza La formula consente di determinare una delle tre grandezze, conoscendo le altre due. Valgono infatti le formule inverse: V = I x R R = V/I Sai già che la resistenza di un conduttore dipende dal materiale di cui è costituito. HAI CAPITO CHE... L’intensità di corrente è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale e inversamente proporzionale alla resistenza. Da quali altre caratteristiche del conduttore dipende la resistenza? Nello schema 35 il filo conduttore ha la stessa sezione, ma lunghezza differente. La lampadina meno luminosa è quella che appartiene al circuito che ha il filo conduttore più lungo: a parità di sezione, oppone più resistenza il conduttore più lungo. Nello schema 36 il filo conduttore, pur avendo la stessa lunghezza, ha sezione diversa. La lampadina più luminosa è quella che appartiene al circuito che ha il filo conduttore a sezione maggiore: a parità di lunghezza, oppone meno resistenza il conduttore a sezione maggiore. La seconda legge di Ohm afferma quindi che la resistenza di un conduttore è direttamente proporzionale alla sua lunghezza e inversamente proporzionale alla sua sezione. In formula: R = ρ × ℓ/s dove: R = resistenza ℓ = lunghezza s = sezione ρ = costante che dipende dal materiale di cui è fatto il conduttore (ρ è una lettera greca che si legge “ro”) Analizza Quale lampadina appare meno luminosa? Perché? Quale lampadina appare più luminosa? Perché? HAI CAPITO CHE... La resistenza di un conduttore è direttamente proporzionale alla sua lunghezza e inversamente proporzionale alla sua sezione. >> VERSO LE COMPETENZE Osserva e rispondi Quale dei due fili conduttori ha una minore resistenza? Perché? Quale dei due fili conduttori ha una maggiore resistenza? Perché? Calcola l’intensità della corrente Una lampadina da 100 Ω è posta in un circuito a cui è applicata una differenza di potenziale di 80 V. Trascurando la resistenza del filo conduttore, qual è l’intensità di corrente che la percorre? Calcola la resistenza Calcola la resistenza elettrica di un filo a cui viene applicata una tensione di 240 V, se l’intensità della corrente che lo percorre è 1,6 A. Quando varia la resistenza Dopo aver eseguito un esperimento, vengono disegnati i risultati ottenuti. Sapresti commentarli? per saperne di piùL’effetto chimico della correnteNella pila di Volta si produce energia elettrica a partire dall’energia chimica; è possibile però sfruttare l’energia elettrica per far avvenire delle reazioni chimiche attraverso quello che è chiamato “effetto chimico” della corrente elettrica. Puoi osservare il fenomeno eseguendo l’esperimento proposto qui a fianco. Il fenomeno descritto è l’elettrolisi, che significa “separazione mediante l’elettricità”; essa fu osservata per la prima volta dallo scienziato Michael Faraday (1791-1867).Come si spiega il fenomeno?Oltre ai conduttori solidi, che già conosci, esistono anche dei conduttori liquidi rappresentati da soluzioni formate da acqua e particolari sostanze, come acidi, basi o sali. Tali sostanze, dette elettroliti, disciolte in acqua hanno la proprietà di dissociarsi in ioni positivi e ioni negativi: per esempio, l’acido cloridrico (HCl) in acqua si dissocia formando ioni idrogeno (H+) con un difetto di elettroni, e ioni cloro (Cl-) con un eccesso di elettroni. Gli elettroliti disciolti in acqua consentono il passaggio di corrente elettrica; la corrente elettrica, a sua volta, fa avvenire delle reazioni chimiche in una soluzione contenente elettroliti. Se nell’acqua viene disciolto acido cloridrico, come nell’esperimento, gli ioni H+ migrano all’elettrodo negativo (bacchetta -), acquistano elettroni e si trasformano in atomi di idrogeno. Gli ioni Cl- migrano all’elettrodo positivo (bacchetta +), cedono elettroni e si trasformano in atomi di cloro. Le bollicine di gas che si formano vicino alla parte immersa delle due bacchette (elettrodi) sono dovute dunque alle molecole di idrogeno (H2) e di cloro (Cl2) che si formano grazie al passaggio di corrente. L’elettrolisi ha trovato molte applicazioni pratiche nell’industria. Viene usata per ricoprire oggetti in metallo con uno strato di metallo diverso, per esempio oro o argento, mediante un processo detto galvanostegia; per estrarre metalli dal loro minerale, mediante un processo detto elettrometallurgia, e per costruire accumulatori di corrente elettrica (batterie).>> LABORATORIOL’elettrolisiMaterialirecipiente in vetro - due bacchette di rame (o di grafite) - alcune gocce di acido cloridrico - acqua distillata - filo elettrico - pila da 9 volt - lampadina - interruttoreEsecuzionea. Metti nel recipiente l’acqua distillata.b. Costruisci il circuito elettrico illustrato in figura.c. Collega ogni capo del filo a una bacchetta di rame.d. Immergi le bacchette nell’acqua distillata. Chiudi il circuito e osserva: la lampadina si accende?e. Apri il circuito, estrai le bacchette e aggiungi con cautela l’acido nell’acqua.f. Immergi nuovamente le bacchette e chiudi il circuito: la lampadina si accende?g. Osserva le estremità delle bacchette immerse in acqua. Che cosa noti?Risultati- L’acqua distillata conduce / non conduce corrente.- La soluzione conduce / non conduce corrente.- All’estremità delle bacchette immerse nella soluzione si formano delle ……….......………. di gas, segno che stanno avvenendo delle reazioni chimiche.per saperne di piùI pericoli dell’elettricitàIl corpo umano è un buon conduttore di elettricità poiché al suo interno sono presenti soluzioni saline. Se si viene a contatto con la corrente elettrica, le cariche attraversano il corpo per scaricarsi a terra e provocano la folgorazione della persona. I danni all’organismo variano a seconda della corrente che lo attraversa. Si possono avere scottature esterne e interne, crampi e contrazioni muscolari, gravi conseguenze sui movimenti cardiaci e respiratori, paralisi del sistema nervoso centrale e anche la morte.Come prevenire gli incidenti?1 I CONTROLLI: fili e prese sempre in perfetta efficienza - Controllare spesso che il rivestimento dei fili elettrici non sia consumato.- Sostituire prontamente spine, prese e interruttori danneggiati.2 LE RIPARAZIONI: staccare subito (e prima di tutto) la corrente centrale- Evitare riparazioni provvisorie.- Non riparare prese o interruttori con oggetti metallici senza avere prima staccato la corrente.- Non riparare utilizzatori se sono inseriti nella rete elettrica.3 IN BAGNO: acqua e corrente nemici da non sottovalutare- Non toccare un elettrodomestico caduto in acqua: togliere prima la corrente.- Non usare apparecchi elettrici con mani e piedi bagnati o quando si fa il bagno.- Non toccare contemporaneamente un apparecchio elettrico e un oggetto metallico.4 Gli elettrodomestici collegati “A TERRA” con il filo verde e giallo- Tutti gli elettrodomestici devono essere collegati a terra, in modo che, in caso di guasto, il circuito si chiuda attraverso la presa di terra e non attraverso il corpo di chi lo usa. In ogni impianto esiste un cavo collegato a terra e per questo le prese hanno tre punti d’attacco e le spine tre boccole: quello centrale viene inserito nella boccola di mezzo, dalla quale parte il cavo che collega l’impianto (e di conseguenza l’apparecchio) a terra.5 In ogni impianto c’è il SALVAVITA- La legislazione prevede l’obbligo di installare in casa un interruttore salvavita, cioè un dispositivo di sicurezza che in caso di scarica elettrica blocca l’erogazione di corrente.Che cosa fare se una persona resta folgorata?Innanzitutto è necessario mantenere la calma; evitare di toccare l’infortunato nel caso in cui sia ancora aggrappato al conduttore di corrente e staccare tempestivamente l’interruttore generale; se ciò non è possibile, si può allontanare l’infortunato dal conduttore usando un bastone di materiale isolante.
6 Le leggi di Ohm Fino ad ora hai analizzato le tre grandezze elettriche, differenza di potenziale, intensità e resistenza e hai capito che sono legate tra di loro. Agli inizi dell’Ottocento Georg Simon Ohm (32 ), in seguito a una serie di esperimenti sui circuiti elettrici, formulò due leggi che regolano le relazioni matematiche che esistono tra queste grandezze. Qual è la relazione matematica tra differenza di potenziale, intensità di corrente e resistenza?Negli schemi sono rappresentati dei circuiti formati filo conduttore, una pila e una lampadina. - Nello schema 33 le pile sono rispettivamente di 4,5 V e di 9 V, perciò i due circuiti hanno diversa differenza di potenziale. La lampadina più luminosa è quella che fa parte del circuito con la pila più “potente”: a parità di conduttore, se si aumenta la differenza di potenziale, l’intensità della luce aumenta perché è aumentata l’intensità di corrente. Analizza Che cosa varia nei due circuiti? Quale lampadina appare più luminosa? Perché? - Nello schema 34 i fili conduttori sono di materiali diversi, il secondo oppone maggiore resistenza al passaggio di corrente. La lampadina meno luminosa è quella che fa parte del circuito con il filo conduttore che oppone maggiore resistenza al passaggio della corrente: a parità di differenza potenziale, se si aumenta la resistenza del conduttore, l’intensità della luce diminuisce. Analizza Che cosa varia nei due circuiti? Quale lampadina appare più luminosa? Perché? 32 Georg Simon Ohm (1789-1854). La prima legge di Ohm afferma quindi che l’intensità di corrente è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale e inversamente proporzionale alla resistenza. In formula: I = V/R   dove: I = intensità V = differenza di potenziale R = resistenza La formula consente di determinare una delle tre grandezze, conoscendo le altre due. Valgono infatti le formule inverse: V = I x R R = V/I Sai già che la resistenza di un conduttore dipende dal materiale di cui è costituito. HAI CAPITO CHE... L’intensità di corrente è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale e inversamente proporzionale alla resistenza. Da quali altre caratteristiche del conduttore dipende la resistenza? Nello schema 35 il filo conduttore ha la stessa sezione, ma lunghezza differente. La lampadina meno luminosa è quella che appartiene al circuito che ha il filo conduttore più lungo: a parità di sezione, oppone più resistenza il conduttore più lungo. Nello schema 36 il filo conduttore, pur avendo la stessa lunghezza, ha sezione diversa. La lampadina più luminosa è quella che appartiene al circuito che ha il filo conduttore a sezione maggiore: a parità di lunghezza, oppone meno resistenza il conduttore a sezione maggiore. La seconda legge di Ohm afferma quindi che la resistenza di un conduttore è direttamente proporzionale alla sua lunghezza e inversamente proporzionale alla sua sezione. In formula: R = ρ × ℓ/s dove: R = resistenza ℓ = lunghezza s = sezione ρ = costante che dipende dal materiale di cui è fatto il conduttore (ρ è una lettera greca che si legge “ro”) Analizza Quale lampadina appare meno luminosa? Perché? Quale lampadina appare più luminosa? Perché? HAI CAPITO CHE... La resistenza di un conduttore è direttamente proporzionale alla sua lunghezza e inversamente proporzionale alla sua sezione. >> VERSO LE COMPETENZE Osserva e rispondi Quale dei due fili conduttori ha una minore resistenza? Perché?   Quale dei due fili conduttori ha una maggiore resistenza? Perché?   Calcola l’intensità della corrente Una lampadina da 100 Ω è posta in un circuito a cui è applicata una differenza di potenziale di 80 V. Trascurando la resistenza del filo conduttore, qual è l’intensità di corrente che la percorre?   Calcola la resistenza Calcola la resistenza elettrica di un filo a cui viene applicata una tensione di 240 V, se l’intensità della corrente che lo percorre è 1,6 A. Quando varia la resistenza Dopo aver eseguito un esperimento, vengono disegnati i risultati ottenuti. Sapresti commentarli? per saperne di piùL’effetto chimico della correnteNella pila di Volta si produce energia elettrica a partire dall’energia chimica; è possibile però sfruttare l’energia elettrica per far avvenire delle reazioni chimiche attraverso quello che è chiamato “effetto chimico” della corrente elettrica. Puoi osservare il fenomeno eseguendo l’esperimento proposto qui a fianco. Il fenomeno descritto è l’elettrolisi, che significa “separazione mediante l’elettricità”; essa fu osservata per la prima volta dallo scienziato Michael Faraday (1791-1867).Come si spiega il fenomeno?Oltre ai conduttori solidi, che già conosci, esistono anche dei conduttori liquidi rappresentati da soluzioni formate da acqua e particolari sostanze, come acidi, basi o sali. Tali sostanze, dette elettroliti, disciolte in acqua hanno la proprietà di dissociarsi in ioni positivi e ioni negativi: per esempio, l’acido cloridrico (HCl) in acqua si dissocia formando ioni idrogeno (H+) con un difetto di elettroni, e ioni cloro (Cl-) con un eccesso di elettroni. Gli elettroliti disciolti in acqua consentono il passaggio di corrente elettrica; la corrente elettrica, a sua volta, fa avvenire delle reazioni chimiche in una soluzione contenente elettroliti. Se nell’acqua viene disciolto acido cloridrico, come nell’esperimento, gli ioni H+ migrano all’elettrodo negativo (bacchetta -), acquistano elettroni e si trasformano in atomi di idrogeno. Gli ioni Cl- migrano all’elettrodo positivo (bacchetta +), cedono elettroni e si trasformano in atomi di cloro. Le bollicine di gas che si formano vicino alla parte immersa delle due bacchette (elettrodi) sono dovute dunque alle molecole di idrogeno (H2) e di cloro (Cl2) che si formano grazie al passaggio di corrente. L’elettrolisi ha trovato molte applicazioni pratiche nell’industria. Viene usata per ricoprire oggetti in metallo con uno strato di metallo diverso, per esempio oro o argento, mediante un processo detto galvanostegia; per estrarre metalli dal loro minerale, mediante un processo detto elettrometallurgia, e per costruire accumulatori di corrente elettrica (batterie).>> LABORATORIOL’elettrolisiMaterialirecipiente in vetro - due bacchette di rame (o di grafite) - alcune gocce di acido cloridrico - acqua distillata - filo elettrico - pila da 9 volt - lampadina - interruttoreEsecuzionea. Metti nel recipiente l’acqua distillata.b. Costruisci il circuito elettrico illustrato in figura.c. Collega ogni capo del filo a una bacchetta di rame.d. Immergi le bacchette nell’acqua distillata. Chiudi il circuito e osserva: la lampadina si accende?e. Apri il circuito, estrai le bacchette e aggiungi con cautela l’acido nell’acqua.f. Immergi nuovamente le bacchette e chiudi il circuito: la lampadina si accende?g. Osserva le estremità delle bacchette immerse in acqua. Che cosa noti?Risultati- L’acqua distillata conduce / non conduce corrente.- La soluzione conduce / non conduce corrente.- All’estremità delle bacchette immerse nella soluzione si formano delle ……….......………. di gas, segno che stanno avvenendo delle reazioni chimiche.per saperne di piùI pericoli dell’elettricitàIl corpo umano è un buon conduttore di elettricità poiché al suo interno sono presenti soluzioni saline. Se si viene a contatto con la corrente elettrica, le cariche attraversano il corpo per scaricarsi a terra e provocano la folgorazione della persona. I danni all’organismo variano a seconda della corrente che lo attraversa. Si possono avere scottature esterne e interne, crampi e contrazioni muscolari, gravi conseguenze sui movimenti cardiaci e respiratori, paralisi del sistema nervoso centrale e anche la morte.Come prevenire gli incidenti?1 I CONTROLLI: fili e prese sempre in perfetta efficienza - Controllare spesso che il rivestimento dei fili elettrici non sia consumato.- Sostituire prontamente spine, prese e interruttori danneggiati.2 LE RIPARAZIONI: staccare subito (e prima di tutto) la corrente centrale- Evitare riparazioni provvisorie.- Non riparare prese o interruttori con oggetti metallici senza avere prima staccato la corrente.- Non riparare utilizzatori se sono inseriti nella rete elettrica.3 IN BAGNO: acqua e corrente nemici da non sottovalutare- Non toccare un elettrodomestico caduto in acqua: togliere prima la corrente.- Non usare apparecchi elettrici con mani e piedi bagnati o quando si fa il bagno.- Non toccare contemporaneamente un apparecchio elettrico e un oggetto metallico.4 Gli elettrodomestici collegati “A TERRA” con il filo verde e giallo- Tutti gli elettrodomestici devono essere collegati a terra, in modo che, in caso di guasto, il circuito si chiuda attraverso la presa di terra e non attraverso il corpo di chi lo usa. In ogni impianto esiste un cavo collegato a terra e per questo le prese hanno tre punti d’attacco e le spine tre boccole: quello centrale viene inserito nella boccola di mezzo, dalla quale parte il cavo che collega l’impianto (e di conseguenza l’apparecchio) a terra.5 In ogni impianto c’è il SALVAVITA- La legislazione prevede l’obbligo di installare in casa un interruttore salvavita, cioè un dispositivo di sicurezza che in caso di scarica elettrica blocca l’erogazione di corrente.Che cosa fare se una persona resta folgorata?Innanzitutto è necessario mantenere la calma; evitare di toccare l’infortunato nel caso in cui sia ancora aggrappato al conduttore di corrente e staccare tempestivamente l’interruttore generale; se ciò non è possibile, si può allontanare l’infortunato dal conduttore usando un bastone di materiale isolante.