Un ponte tra elettrostatica e correnti
Roberto Morroi
La Fisica di-squisita
Punti critici
• Difficoltà da parte degli studenti di legare i concetti di
elettrostatica alla loro descrizione dei fenomeni che
avvengono nei circuiti elettrici (frattura tra
elettrostatica e correnti).
• Vaghezza e astrattezza del concetto di voltaggio.
• Mancanza di un legame tra micro e macroscopico e
difficoltà di costruire un modello per spiegare le
relazioni tra le parti di un circuito.
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Speranza
• Forse una migliore comprensione dei fenomeni
elettrici può essere ottenuta:
– da una più larga e approfondita
fenomeni elettrostatici;
esperienza dei
– da una maggiore attenzione ai modelli usati per
interpretare i fenomeni
– Dalla esplicitazione del
elettrostatica e circuiti.
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legame
esistente
tra
Contesto operativo
• Lavoro di gruppo con 30 studenti-insegnanti della
SISS di Pavia
• Costruzione di un percorso didattico che colleghi
l’elettrostatica e le correnti
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Inchiesta preliminare
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Percorso didattico
• Interazioni elettrostatiche
• Costruzione di modelli per interpretare le
interazioni
• Ricerca di modelli formali (aspetto energetico)
• Collegamento tra elettrostatica e correnti
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Interazioni elettrostatiche
•Caricamento per strofinio, contatto e induzione
•Esistono due stati di carica (principio non violato)
•L’intensità della forza dipende dalla distanza
•Da un punto di vista macroscopico valgono sia il
modello a fluido che quello a due tipi di carica
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Interazioni elettrostatiche
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Modelli microscopici
• Agli studenti dovrebbe risultare chiara la differenza di
comportamento tra conduttori e isolanti e il legame di
tale differenza con la struttura della materia
• Essi dovrebbero elaborare, in base alla loro
conoscenza della struttura della materia, modelli
microscopici per spiegare i fenomeni osservati (o
prevedere l’esito di nuovi)
• E infine produrre rappresentazioni grafiche e/o usare
il computer (animazioni, simulazioni, applet) per
visualizzare i fenomeni di elettrizzazione
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Modelli formali: la tensione
• Prinicipio: un sistema isolato tende a raggiungere la
configurazione di minima energia potenziale
• Elettroscopio carico: equilibrio tra forza elettrica e
gravitazionale e condizione di minima energia potenziale del
sistema
• Quando l’energia potenziale gravitazionale cresce (cioè le
foglioline dell’elettroscopio si allontantano) l’energia
potenziale elettrostatica cala
• Volta associò allo stato di equilibrio di un conduttore carico
l’idea di tensione del conduttore. L’angolo tra le foglie
dell’elettrosopio danno una misura di questa tensione.
• “La tensione è lo sforzo che fa ciascun punto del corpo
elettrizzato per disfarsi della sua elettricità” (A. Volta)
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Modelli formali: la capacità
• È definita da Volta come la attitudine di un conduttore ad
accogliere carica elettrica
• Egli intuì e verificò la relazione di proporzionalità inversa
tra capacità e tensione:
Q  CV
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Analogia meccanica
Parametro elettrico
Parametro del liquido
Carica Q
Volume del liquido
Tensione V
Altezza del livello del liquido
Capacità C
Area di base del contenitore
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tensione
Q = CV
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La tensione guida il moto degli elettroni
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La tensione e la carica elettrica
•Tensioni positive e negative
•Messi a contatto si scaricano mostrando una differenza di potenziale
•Gli elettroni si muovono verso tensioni maggiori (positive)
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Dall’elettrostatica alle correnti
Condenstore a capacità variabile
•Nel condensatore si definisce C=Q/DV
•La resistenza che collega le due armature “scarica” il condensatore
•Le armature del condensatore e la resistenza costituiscono un
circuito in cui la d.d.p. produce una corrente temporanea
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Pila e condensatore: il ponte
Carica del condensatore con la pila
•La pila “crea” una differenza di potenziale tra le armature
prelevando elettroni da una armatura e spostandoli sull’altra
•Effetti elettrostatici possono essere ottenuti per mezzo di una
batteria
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Conclusioni
• L’elettrostatica è difficile
• La parte sperimentale può essere divertente (?) e quella di
astrazione stimolante: bisogna ragionare sulle cose che
accadono e crearsi dei modelli che le spieghino
• L’approccio storico può aiutare sia nella comprensione dei
fenomeni che dei processi che hanno permesso di conseguire
alcuni risultati.
• Il punto di vista energetico crea una connessione tra i
fenomeni elettrostatici e le correnti
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Siti
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http://www.aapt.org/
http://www.ba.infn.it/www/didattica.html
http://www.ba.infn.it/~zito/museo/leonardo.html
http://www.ba.infn.it/~zito/museo/frame118.html
http://digilander.libero.it/lucianopirri/
http://ww2.unime.it/weblab/ita/proyecti/proyecti_ita.htm
http://www.mi.infn.it/~phys2000/applets/forcefield.html
http://www.mi.infn.it/~phys2000/applets/nforcefield.html
http://qbx6.ltu.edu/s_schneider/physlets/main/efield.shtml
http://physics.weber.edu/schroeder/software/EField/
http://www.physics.upenn.edu/courses/gladney/phys151/lectures/classes/efiel
d.html
• http://www.liceovoltacomo.it/liberamente/ipertesti/volta/Home%20page.htm
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Bibliografia
• L. Borghi, A. De Ambrosis, P. Mascheretti - Microscopic models for bridging
electrostatics and current – Physics educations – Marzo 2007
• A. B. Arons – Guida all’insegnamento della Fisica – Zanichelli – 1996
• A. Volta – Opere - UTET
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