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Percorso Maturità - L'elettricità

Che cos’è l’elettricità? Nella Fisica col termine elettricità , a livello microscopico, si fa riferimento a tutti quei fenomeni che sono riconducibili all'interazione tra particelle cariche (i protoni nel nucleo e gli elettroni esterni al nucleo). I tipici effetti macroscopici di tali interazioni sono le correnti elettriche e l'attrazione o repulsione di corpi elettricamente carichi. La corrente elettrica non è altro che uno spostamento di elettroni all'interno di un conduttore, questo spostamento è dovuto ad una differenza di potenziale fra le due estremità del conduttore, la quale fa spostare gli elettroni dal polo negativo (-) al polo positivo (+).
 FISICA I Circuiti elettrici

- Si dice circuito elettrico un percorso chiuso in cui circola la corrente elettrica. Il circuito elettrico deve essere costituito da un materiale metallico in grado di condurre la corrente elettrica. Di solito la corrente elettrica viene trasportata da un punto all'altro mediante un filo conduttore (come ad esempio il rame, che è un buon conduttore). Il flusso di cariche elettriche in un conduttore, ovvero il flusso di corrente elettrica, continua fintanto che alle estremità del conduttore persiste una differenza di potenziale. Quando si è ristabilito l'equilibrio, ovvero quando il potenziale elettrico è uguale in tutti i punti del conduttore, il flusso di corrente cessa. Se si vuole fare in modo che la corrente continui a fluire e non si interrompa una volta raggiunto l'equilibrio elettrico, occorre l'intervento di un dispositivo che mantenga la differenza di potenziale, cioè che fornisca a un conduttore (o a un sistema di conduttori) l'energia necessaria per mantenere la corrente elettrica al suo interno: un tale dispositivo si chiama generatore di tensione (o generatore elettrico); la sua funzione è quella di controbilanciare l'effetto del moto delle cariche elettriche attraverso il conduttore, che tende ad annullare la differenza di potenziale. Un altro elemento costitutivo di un circuito è il resistore (o resistenza, che può essere una lampadina, un phon, il forno a microonde ecc…).

Il circuito presenta infine anche un interruttore che, se è aperto la corrente non scorre, se invece è chiuso allora nel circuito fluisce corrente elettrica.
- E’ possibile calcolare l’intensità di corrente (i), la differenza di potenziale ai capi del condensatore (ΔV) e la resistenza (R).
L’intensità di corrente si calcola: i = Q/Δt e l'ampere (A) è la sua unità di misura, cioè la
quantità di elettroni spostati per ogni secondo.
La differenza di potenziale si misura in Volt (V) ed è sostanzialmente la forza che fa spostare gli elettroni e che quindi crea la corrente.
Invece la resistenza, che è una grandezza scalare, misura la tendenza di un corpo ad opporsi al passaggio di una corrente elettrica, quando sottoposto ad una tensione elettrica. Questa opposizione dipende dal materiale con cui è realizzato, dalle sue dimensioni e dalla sua temperatura. Essa si può calcolare con la prima e con la seconda legge di OHM e cioè:

R= ΔV/i oppure  dove “ro” è = a: (ro alla temp di 293 K) * (1+* Δt) (se T - R)

- I circuiti possono essere disposti in 2 modi diversi: in serie o in parallelo (cioè se i resistori sono uno consecutivo all’altro oppure no). Se il circuito è in serie la Req sarà data dalla somma delle resistenze (itot=i1=i2 e ΔVtot= ΔV1+ΔV2), se invece il circuito è in serie 1/Req=1/R1 + 1/R2 (itot=i1+i2 e ΔVtot= ΔV1=ΔV2)

 CHIMICA La Pila di Daniel

- Una pila è un dispositivo capace di sfruttare reazioni di ossido-riduzione spontanee per trasformare energia chimica in energia elettrica, ed è utilizzata tipicamente come generatore di tensione. Spesso viene utilizzato il termine batteria e cella galvanica come sinonimo di "pila".
La Pila di Daniell è così strutturata: in un contenitore abbiamo 2 partizioni (perché se voglio convogliare il flusso di elettroni all’esterno i due scomparti devono rimanere separati), separate da un setto poroso. Nella prima partizione abbiamo una lamina di Zinco immersa in una soluzione di ZnSO4, mentre nell’altro scomparto c’è una lamina di Rame immersa in una soluzione si CuSO4. Ho inoltre una corrente elettrica che va dallo Zinco al Rame, quindi vuol dire che c’è una differenza di potenziale, ovvero i potenziale nei due scomparti sono diversi. Il processo finale complessivo è il seguente: Zn + Cu2+ → Zn2+ + Cu

--> Per spiegare come si genera il potenziale analizziamo separatamente i due scomparti:
(1) Scomparto della lamina di Zinco: si insaura la seguente reazione: Zn → Zn2+ + 2e- (S. di OX) – ANODO (-)
- spontaneamente lo zinco entra in soluzione e gli e- persi rimangono sulla lamina e richiamo attorno
a se uno strato di cariche positive (Zn2+). Si genera quindi un doppio strato di carica e quindi c’è un
potenziale.
(2) Scomparto della lamina di Rame: si insaura la seguente reazione: Cu2+ + 2e- → Cu (S. di RED) – CATODO (+)
- Gli ioni rameici aderiscono alla lamina di Rame e vengono liberati degli e-, la lamina si ricopre quindi di
cariche positive ed attira quelle negative. Anche qui si genera un doppio strato di carica e quindi c’è un
potenziale.
Quindi nel caso delle Pile:
- l’elettrodo presso il quale avviene l’ossidazione è l’ANODO (-)
- l’elettrodo presso il quale avviene la riduzione è l’CATODO (+)

Bisogna prestare attenzione a due cose:
1- Mantenere l’elettroneutralità: il setto poroso me lo permette perché elimina l’eccesso di cariche positive e negative. (il setto poroso consente al soluto di passare ma non al solvente). Dall’anodo al catodo gli ioni zinco vanno verso il catodo attraverso il setto poroso e quindi diminuisce l’eccesso di carica positiva. Mentre dal catodo all’anodo gli anioni solfato vanno verso l’anodo e quindi diminuisce l’eccesso di carica negativa.

2- Però gli anioni solfato sono più veloci ad attraversare il setto poroso rispetto agli ioni zinco e quindi si crea uno scompenso di carica e si crea un doppio strato di carica che genera un POTENZIALE DI DIFFUSIONE. Perciò passiamo dal setto poroso al ponte salino, che è un tubo a forma di U di vetro contenente KNO3 e le cui estremità sono tappate da lana di vetro. Grazie a questo dispositivo si mantiene una situazione di NEUTRALITA’ tra le 2 soluzioni, poiché le velocità di migrazione degli ioni sono identiche e quindi risolvo così il problema del POTENZIALE DI DIFFUSIONE.


 BIOLOGIA Il sistema nervoso

- Attraverso i 5 sensi l’uomo percepisce il mondo che gli sta attorno. Questo avviene perche i segnali colti dai nostri occhi, orecchie, naso, bocca e mani arrivano al nostro cervello e quindi al nostro sistema nervoso, che elabora le informazioni sensoriali e invia i comandi alle cellule che eseguiranno le risposte adeguate. Ma queste informazioni sono trasmesse dai neuroni, cioè le unità funzionali e strutturali del sistema nervoso, per mezzo di impulsi elettrici.
- Per poter capire tutto ciò bisogna capire come è fatto un neurone.
I neuroni sono composti da un corpo cellulare (dove risiede il nucleo). Dal corpo cellulare emergono 2 tipi di prolungamenti: numerosi dendriti e un assone. I dendriti sono piccoli prolungamenti vicini al corpo cellulare e molto ramificati che ricevono i segnali da altri neuroni e li conducono al corpo cellulare. Invece l’assone è un prolungamento molto lungo che trasmette i segnali ad altre cellule (o altri neuroni o alle cellule di organi effettori, cioè quelli a cui è destinata l’informazione già elaborata che arriva dal neurone). L’assone è avvolto dalle cellule di Schwann che messe assieme formano quella che è chiamata guaina mielinica. Lo spazio tra una cellula di Schwann e un’altra è chiamato nodo di Ranvier. Il sito in cui avviene il passaggio del segnale a un’altra cellula è detto Sinapsi.

- La trasmissione è quindi, come abbiamo detto, un fenomeno elettrico. Nella membrana plasmatica di un neurone a riposo c’è un’energia potenziale, di circa -70 milliVolt, chiamata potenziale di riposo. Il potenziale di riposo è dovuto alla diversa composizione e concentrazione di ioni (sodio Na+ e potassio K+) all’interno e all’esterno della cellula. All’interno quando è a riposo c’è una prevalenza di K+ che possono uscire all’esterno liberamente attraverso i propri canali(canali del K+), mentre all’esterno vi è un prevalenza di Na+ che però hanno una possibilità molto limitata all’interno a causa dei canali del sodio. Per mantenere il potenziale di riposo contribuiscono anche le cosiddette pompe sodio-potassio che portano attivamente ioni Na+ all’esterno e ioni K+ all’interno, aiutando quindi a mantenere una situazione di equilibrio. Normalmente la membrana a riposo è carica positivamente all’esterno, mentre il citoplasma è carico negativamente.
- Invece quando arriva uno stimolo la membrana plasmatica non sarà più a riposo e lo stimolo ne modificherà la permeabilità, permettendo agli ioni di fluire, modificando così anche il voltaggio. Infatti se lo stimolo è abbastanza forte, il voltaggio salirà da -70 mV fino al potenziale soglia. Una volta raggiunti il potenziale soglia, si innesca il potenziale d’azione, cioè un segnale nervoso che trasporta l’informazione lungo l’assone. La polarità della membrana si inverte bruscamente: l’interno della cellula diventa positivo rispetto all’esterno. La membrana poi si ripolarizza rapidamente e il potenziale scende a un livello inferiore al potenziale di riposo per poi riassettarsi su quel valore. Grazie a questa inversione delle cariche il segnale attraversa tutto l’assone fino alla sinapsi. A questo punto il segnale deve passare dalla sinapsi del neurone a un’altra cellula nervosa o ad una cellula effettrice. Le sinapsi sono di due tipologie: elettriche e chimiche. In questo caso prendiamo in considerazione le sinapsi “elettriche”. In questa tipologia di sinapsi il segnale nervoso passa direttamente dal neurone presinaptico (che trasmette il segnale) alla cellula sucessiva, detta “postsinaptica” (che riceve il segnale). Il neurone postsinaptico è stimolato velocemente e alla stessa frequenza dei potenziali d’azione del neurone presinaptico. La trasmissione del segnale avviene quindi per passaggio diretto di ioni tra le due cellule nervose senza alcuna mediazione chimica e questo rende la trasmissione estremamente veloce. Nel corpo umano le sinapsi elettriche si trovano ad esempio nel cuore, dove i segnali nervosi servono a mantenere contrazioni muscolari ritmiche e costanti.

 MATEMATICA Relazione tra i fenomeni fisici della corrente alternata e la matematica

L'espressione matematica della legge di Faraday (Michael Faraday, 1831) è : femindotta = −ΔΦ(B)/Δt o, più precisamente dal punto di vista dell'analisi matematica, femindotta = −dΦ(B)/dt in cui la fem indotta è data dalla derivata rispetto al tempo del flusso. Ad esempio in un alternatore (cioè un dispositivo che trasforma energia cinetica in energia elettrica) questo fenomeno delle correnti indotte è rappresentato da una sinusoide. Infatti sappiamo che il flusso del campo magnetico è: B*S*cos() e per calcolare la femindotta occorre svolgere il seguente calcolo:

femindotta = −dΦ(B)/dt = −d(B*S*cos)/dt = B*S*sen

Siccome viene come risultato la moltiplicazione di alcuni termini, tra cui il sen, allora il grafico avrà un andamento sinusoidale.
A questo punto diamo la definizione matematica di derivata:
- Data una funzione f(x) definita in un intervallo [a,b], si chiama derivata della funzione nel punto c (interno all’intervallo) il limite, se esiste ed è finito, per h che tende a 0, del rapporto incrementale di f relativo a c, quindi in simboli esso sarà:


Dal punto di vista geometrico la derivata non è nient’altro che il coefficiente angolare della retta tangente al punto c preso su f(x).
La stessa funzione f(x) può essere derivabile anche in un intervallo, cioè quando è derivabile in tutti i punti interni di [a,b].

 ITALIANO Futurismo: esaltazione delle nuove tecnologie, tra cui anche l’elettricità

Il futurismo fa parte delle cosiddette avanguardie. Il termine appartiene al campo militare e indica la pattuglia di soldati che va in avanscoperta, affrontando così i maggiori pericoli. Nel primo ‘900 si estese a designare alcune tendenze letterarie e artistiche, tra cui appunto il futurismo. Quest’ultimo è òa prima avanguardia nata in Italia (1909) con la pubblicazione del manifesto del futurismo nel giornale “Le Figaro” ad opera di Marinetti. Lo scopo dichiarato dal movimento è la distruzione della cultura del passato e delle sue istituzioni per fondare una nuova società basata sul cosiddetto mito della macchina, i cui valori su cui intende fondarsi sono la velocità, azione energica e dinamica, attivismo ed esaltazione delle nuove tecnologie e quindi erano decisamente entusiasti dell'elettricità e del progresso in genere.
Le poesie dei futuristi datano infatti a partire dal 1909, e a quella data l’elettricità era già abbastanza conosciuta. Oltre che un inno al futuro, le lodi futuriste appaiono anche come una conferma di un successo ormai ottenuto, come un inno ad un protagonista della società contemporanea.
 A livello letterario l’intento di rottura rispetto alla tradizione si concretizza nel manifesto tecnico della letteratura futurista scritto sempre da Marinetti:
- utilizzo dell’analogia, che accosta realtà diverse e lontanissime tra loro.
- eliminazione dei tradizionali elementi di interpunzione, con lo scopo di suggerire il fluire di sensazioni e di
rendere più rapidi i passaggi.
- sviluppo della tecnica delle “parole in libertà”, che consiste nel disporre i “sostantivi a caso”.
- la forma delle parole ha importanza, esse infatti devono riprodurre sensazioni uditive, visive o tattili.
(importanza della sinestesia, cioè una figura retorica che prevede l'accostamento di due termini
appartenenti a due piani sensoriali diversi)

 STORIA Breve storia dell’elettricità fino all’invenzione della lampadina

- Le prime informazioni sulle forze elettriche, ci giungono dall’antica Grecia, da parte di Talete il quale scoprì che l'ambra, che in greco si chiama èlektron, se strofinata con un panno di lana acquista la caratteristica e capacità di attrarre corpi leggeri quali ad esempio piccoli pezzi di paglia. L'ambra strofinata con lana o pelli d'animale acquista la proprietà di attrarre piccoli oggetti come pezzetti di sughero o capelli. La forza con cui la plastica caricata attrae la carta è la forza elettrica. Nel 1706 venne scoperto che fra corpi elettrizzati si esercitano forze di attrazione o repulsione. Se strofiniamo bacchette diverse (di plastica e di vetro) con un panno di lana e ne appendiamo una (per esempio di plastica) ad un supporto mediante un filo sottile, possiamo constatare che:
1. se avviciniamo alla bacchetta sospesa un'altra di plastica (sempre dopo averla strofinata), le due bacchette si respingono
2. se avviciniamo alla bacchetta sospesa una bacchetta di vetro (sempre dopo averla strofinata), le due bacchette si attraggono.
- Nel 1729 Stephen Gray (1667-1736) constata che l'elettricità si può trasferire per contatto. Un corpo carico messo a contatto con un corpo scarico trasferisce su di esso parte della sua carica.
- Nel 1776 Benjamin Franklin propone una sua teoria in cui sostiene che:
Interpretazione di Franklin Interpretazione attuale
Strofinando il vetro con la seta si ha un passaggio di cariche positive dalla seta al vetro. Il vetro acquista carica positiva e la seta la perde e si carica negativamente. Strofinando il vetro con la seta si ha un passaggio di elettroni (negativi) dal vetro alla seta. Il vetro perde elettroni e si carica positivamente, la seta acquista elettroni e si carica negativamente.
Le ipotesi di Franklin si accordano con le teorie moderne solo che, a differenza di quanto immaginava Franklin, le particelle mobili portatrici di carica sono generalmente gli elettroni negativi.
- Nel 1780 l'anatomista italiano Luigi Galvani (1737-1798) compie esperimenti sulle rane e ipotizza che l'elettricità abbia origine animale.
- Finalmente nel 1784 l'ingegnere francese Coulomb (1736-1806) determina la legge che regola l'attrazione e la repulsione tra due cariche elettriche. La legge di Coulomb è una legge analoga a quella di gravitazione universale di Newton.
- Il fisico italiano Alessandro Volta (1745-1827) inventa la pila elettrica nel 1800. La pila permette il passaggio duraturo di corrente nei corpi conduttori.
l chimico inglese John Dalton annuncia la teoria atomica nel 1808.
- Il 1820 è l'anno in cui il fisico danese Oersted e il matematico francese Ampère (1775-1836) scoprono le interazioni tra elettricità e magnetismo. Nasce così l'elettromagnetismo.
Nel 1873 il grande fisico scozzese J.C. Maxwell (1831-1879) presenta la teoria elettromagnetica sistematizzata in 4 equazioni. Esse riassumono l'elettromagnetismo.
Nel 1879 l'inventore americano T. Edison (1847-1821) inventa la lampadina.

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