L'elettricità. Alla scoperta dei segreti dell'energia elettrica

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CON TANTI ESPERIMENTI

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alla scoperta dei segreti del)' energia elettrica L'elettricità è forse la forma di energia più largamente usata ma anche la più misteriosa. Ecco qui esemplificati alcuni modi d'impiego.

Le lame di questo rasoio sono azionate da un motorino elettrico. Vibrano avanti e indietro 3 000 ..._ volte al minuto.

Questo speciale forno elettrico cuoce un arrosto di carne in 20 minuti.

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I più mode elettrici via una velocità l'ora.

Un trapano elettrico è in grado di forare una lamina di acciaio di 3 mm in 8 secondi.

Ideazione e testo dì Phllip Chapmun Direzione arustica ed editoriale di David jefferis Consulenza ped agogica di Frank Blackwell Illustrazioni dì: Roland Bc rrv, Sydney Co rnford , Malcolm English, Phil Green, John Hutchinson, M alcolm McGregor,

Michael Roffe ~ Un ringraziamento speciale a quanti banno collaborato alla reali.zzazìone cli questo libro: British Post Office, Brook Motors Ltd., Centrai Elecrriciry Generating Board

© 1976 Usborne Publishing, London Titolo originale della collana: The Young Scientist Titolo originale del volume: Book of Elecrriciry Per la traduzione in lingua italiana

© 1976 sulla collana Fratelli Fabbri Editori, Milano

© 1977 sul volume Fratelli Fabbri Editori I Edizione 1977 Versione in lingua italiana a cura di Aurerta Atzeni Fimto di stampare nel 1977 presso lo Stabilimento Grafico della Fratelli Fabbri Editori, Milano

Gli esperimenti Tutti gli esperimenti suggeriti in questo libro sono assolutamente innocui se si usano batterie da 4,5 volt. Non giocare MAI con le prese di corrente. La batteria che abbiamo scelto per gli esperimenti contenuti in questo libro fornisce corrente a 4,5 volt. Non tutte le batterie a questo voltaggio sono dello stesso tipo

alla scoperta dei segreti dell'energia elettrica

Materiale di base Quattro lampadine da 6 volt con portalampada Due batterie da 4,5 volt Circa 5 m di filo elettrico Nastro adesivo Forbici Colla Una bussola 15 m di filo isolato Fermacarte Un chiodo lungo 12 cm Pinze tagliafili Due calamite Plastilina

BATTERIA CON POLI

A VITE.

Per gli esperimenti speciali Il rivelatore di corrente (p. 13): Un piattino Acqua Un piccolo sughero Un ago Il motore (p. 15): Una tavoletta di balsa di 5 mm di spessore lunga 15xl7 cm Una striscia di balsa di 5 mm di spessore, lunga 50 cm e alta 5 mm Mastice per balsa 10 spilli lunghi 3 cm

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per cui è meglio prenderne una simile a queste che vedi qui sotto. La batteria con i poli a vite è più comoda perché ti permette di fissare i fili molto facilmente. Nelle batterie con i poli a lamelle, invece, dovrai avvolgere i fili attorno ai poli. Ecco un elenco del materiale necessario per realizzare gli esperimenti che proponiamo.

Un ferro da calza lungo 15 cm Due puntine da disegno Un grande sughero Due calamite a ferro di cavallo Due lamine di alluminio La turbina (p. 21): Un ferro da calza lungo 15 cm Un cartoncino di circa lOxl0 cm Il telegrafo (p. 26): Un foglio di carta argentata per usi domestici Cavo elettrico a tre fili Un foglio di cartone piuttosto grande

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In questo libro

Indice

Sai perché si illumina una lampadina o come funziona una batteria? Ti sei mai chiesto come si ottiene l'elettricità in una centrale 'elettrica o come funziona un motore elettrico?

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Questo libro ti spiegherà in termini chiari e semplici che cos'è l'elettricità, e come la possiamo sfruttare. Ti racconterà come viene prodotta e portata da un luogo all'altro fino a raggiungere le nostre case, g1i uffici, le fabbriche. Poi c'è una serie di esperimenti assolutamente non pericolosi che potrai fare facilmente sul tuo tavolo e così imparerai a costruire alcuni circuiti elettrici, fra cui una piccola elettrocalamita, un motore elettrico e un telegrafo rice-trasmi tten te.

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L'atomo: com'è fatto L'elettricità in natura Come funziona una batteria Trasformiamo l'energia in luce Magnetismo ed elettricità Il motore elettrico L'impiego dei motori elettrici La corrente alternata Nella centrale elettrica Le linee elettriche In casa Il telegrafo e il telefono L'energia elettrica nel XXI secolo Tappe importanti Curiosità Vocabolarietto Circuiti e interruttori

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L'atomo: com'è fatt Ogni cosa è fatta di atomi. L'aria che respiri, le pagine di questo libro, il tuo corpo. tutto è formato di milioni di invisibili piccoli atomi. Sono tanto piccoli che dieci milioni messi in fila uno vicino all'altro misurano solo 1 millimetro! Al centro di ogni atomo c'è un nucleo che contiene delle particelle piccolissime, i protoni. Ma particelle ancora più gli elettroni. girano attorn al nucleo. Compiono un'orbita simile a quella dei pianeti attorno al Sole. li numero degli elettroni è sempre uguale a quello dei protoni. Ogni elettrone ha una carica elettrica negativa; ogni protone ha una carica elettrica positiva. Questo segno significa negativo e questo + significa positivo.

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lascia attraversare dalla corrente elettrica. uon conduttore ha un elettrone ibero » che ruota esternamente agli rJ e che può essere separato dal atomo. 1

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t::,, Nei metalli gli atomi formano un reticolo regolare, « responsabile » delle loro proprietà. Gli elettroni liberi non ruotano attorno al proprio nucleo, ma possono passare da uno all'altro. Le frecce mostrano il loro movimento.

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t:,. Se un filo metallico è collegato a una batteria, gli elettroni liberi incominciano a scorrere da un capo all'altro passando da un atomo all'altro. Questo flusso si chiama corrente elettrica.

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etallico Corrente debole ___ Corrente forte

C> L'atomo dell'idrogeno è il più semplice. Ha un solo protone e un solo elettrone. Tutti gli altri atomi sono più complessi. Hanno altre particelle chiamate neutroni che però non hanno alcuna carica elettrica. Nella figura grande puoi vedere le parti più importanti di un atomo.

t::,, L'intensità della corrente elettrica che passa in un filo è data dal numero degli elettroni liberi che scorrono all'interno del filo. Molti elettroni liberi in movimento danno una corrente forte, pochi elettroni danno una corrente debole.

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Quando accendi la luce a casa tua

fai sì che la corrente elettrica passi

dentro la lampadina. Dentro il filamento di una lampadina passano circa 3 milioni di milioni di milioni di elettroni liberi al secondo.

LA LA.MPAOINA

I circuiti· elettrici

t::,, Unendo la batteria alla lampadina con un solo filo, questa non si accende: è necessario un secondo filo che colleghi la lampadina all'altro polo della batteria. Gli elettroni potranno così tornare al punto di partenza.

b. Questo percorso completo si chiama circuito. Il secondo filo ha chiuso il circuito e la lampadina ora si accende. Gli elettroni passano attraverso il filamento della lampadina e ritornano alla batteria,

t::,, Il movimento degli elettroni nel filo metallico non 'avviene facilmente: urtando contro gli atomi gli elettroni vengono rallentati. Questo effetto si chiama resistenza. Un metallo è tanto più conduttore quanto minore è la sua resistenza.

ANCHE

&I ACCENDE.

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L'elettricità è istantanea

t::,, Per accendere la lampadina dovremo collegarla alla batteria tramite un conduttore elettrico. Un filo metallico permetterà agli elettroni di passare dalla batteria alla lampadina.

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Gli elettroni liberi si muovono molto lentamente: percorrono pochi millimetri al secondo. Ma in un filo conduttore il passaggio di corrente è immediato. Questo semplice esperimento ti mostra che cosa succede. Prendi alcune biglie e mettile in fila fra due libri. Spingi la biglia a un'estremità, vedrai che tutte le altre si muovono contemporaneamente, anche quelle che sono più lontane. Come le biglie, anche gli elettroni si muovono contemporaneamente, quando il circuito è chiuso, cioè quando GP!NGI QUESTA i fili sono collegati alla batteria. BIGLIA.

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L'elettricità in natura Durante i temporali il cielo è paurosamente illuminato dai fulmini. Questo fenomeno è conosciuto da migliaia di anni, ma non sono ancora chiare le cause che lo provocano. Gli scienziati pensano che i fulmini siano scariche di elettricità che

si è accumulata nelle nuvole. Qualcosa di simile a quel che succede quando ti pettini in un giorno caldo e secco. Forse ti è capitato di avvertire l'elettricità che si forma mentre i denti del pettine ti passano fra i capelli con uno strano crepitio.

Molto spesso l'elettricità si scarica fra due nuvole. t il caso più frequente: si manifesta con un lampo nel cielo.

Succede molto raramente che un fulmine colpisca direttamente il suolo. Di solito colpisce un albero o un edificio, perché così l'elettricità trova un percorso più facile che nell'aria.

l parafulmini sono aste di metallo poste sul tetto degli edifici, collegate al terreno tramite un cavo conduttore in modo che l'elettricità si scarichi attraverso il cavo e non colpisca l'edificio.

11 fulmine colpisce un albero piuttosto che scaricarsi direttamente al suolo perché nel~'albero trova un percorso più facile. Come mai? Semplicemente perché la cima dell'albero è più vicina alle nuvole.

La pelle della torpedine nasconde entinaia di piccole cellule paragonabili ad altrettante mini-batterie, il cui voltaggio è superiore ai 600 volt. Di questa energia la orpedine si serve per abbattere le proprie vittime.

6 Le lucciole sono insetti che producono una luce giallo-verde grazie ad un processo chimico che ba luogo nelJa parte posteriore del loro corpo. Per richiamarsi l'un l'altra emettono luce seguendo un ritmo particolare.

~ Il tuo corpo è forse l'insieme di circuiti elettrici più complicato. Tutte le percezioni sensoriali - vista, udito, tatto, gusto e olfatto arrivano al cervello, tramite fibre nervose, come impulsi ·elettrici. Il cervello di questo

calciatore riceve, tramite i sensi, tutte le informazioni necessarie per mirare e calciare la palla; quindi, dBI cervello, partono impulsi elercrici che. lungo le fibre nervose, giungono ai muscoli comandando il momento e la direzione del tiro.

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RIANOO AOONO.

Possiamo caricare di elettricità un oggetto semplicemente strofinandolo. Hai mai sentito una piccola scossa quando tocchi la maniglia di una porta, dopo aver camminato su di un tappeto molto folto? Sfregando il tappeto gli elettroni si sono trasmessi al tuo corpo. Questa elettricità « statica » si scarica improvvisamente quando tocchi la maniglia, dandoti una leggera scossa. Eccoti due esperimenti che potrai fare per mostrare gli effetti dell'elettricità statica.

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Al La fusione è una combinazione di atomi di deuterio e tritio, che si trovano nel mare. Quando i due atomi si uniscono emettono una grande quantità di energia sotto forma di calore, che si può usare per produrre energia elettrica.

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I raggi solari arrivano sulla Terra già filtrati dall'atmosfera; il collettore solare in orbita fuori dell'atmosfera li cattura invece direttamente dal Sole. Produce quindi molta più elettricità che se fosse sulla Terra.

I treni superveloci . -'1 treni del XXI secolo saranno molto - diversi da quelli di oggi. Saranno· azionatnla motori elettrici e correranno - - sulle rotaie a 400 km l'ora. Non si useranno più le ruote perché i treni viaggeranno sospesi a pochi centimetri sopra il binario grazie a potentissimi campi magnetici.

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Il treno è sospeso- sul binario.

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Il trasmettitore è collegato al collettore e, in coppia, ruotano attorno alla Terra. Stanno in orbita esattamente ~ t I • la stazione

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L'energia atomica

Il collettore solare prende la luce del Sole e la converte in energia elettrica per mezzo di cellule solari come quelle che azionano molti satelliti odierni. Più grande è il collettore, maggiore è la quantità di energia che produce. Questo è 8 km per 8 km cioè circa come 13 000 campi di calcio.

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Fissione

Per raccogliere l'energia irradiata dal collettore in orbita, è necessaria un'ampia superficie di raccolta. Ogni stazione ricevente raccoglie abbastanza energia per rifornire di elettricità una grande città.

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Tecnico al quadro di comando.

Il reattore a fusione del futuro t:. Gli atomi di deuterio e di tritio si uniscono solo ad altissima temperatura: 100 milioni Nessun materiale conosciuto sopporterebbe un tale calore e l'unico reattore possibile è un potentissim~ campo maenetìco (1). Il campo viene prodotto da buna fortissima corrente elettrica

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che scorre lungo bobine contenute in una ciambella di cemento armato (2). li litio, il metallo che si ottiene dalla reazione è fuso per il calore; viene pompato in tubi (3) e usato per bollire l'acqua. li vapore prodotto fa girare le turbine che fanno ruotare il generatore.

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Tappe importanti Vediamo alcune delle pietre miliari del progresso dell'elettricità. Ti accorgerai che alcune ormai sono talmente entrate nella vita di tutti i giorni che è difficile riuscire a immaginare come sarebbe la nostra vita senza luce elettrica o senza telefono.

Curiosità La lampada elettrica di Edison.

1600 Lo scienziato inglese Wil1iam Gilbert pubblica la sua teoria secondo cui la Terra è circondata da un campo magnetico. 1672 Otto Von Guericke inventa la prima macchina elettrica. Una grande palla di zolfo, fatta ruotare con una impugnatura, produce elettricità statica se è sfregata con la mano.

L'elettricità può essere sia il tuo amico fedele che il tuo più mortale nemico. Può accendere una lampadina come può far scoppiare un fulmine che causa morte. Eccoti alcune curiosità. Nel 1970, sul fiume Jenisei in Siberia, è entrata in funzione la più grande centrale del mondo. una centrale idroelettrica che produce oltre 6 milioni di kWh; il bacino dietro la diga è lungo più di 380 km. L'Unione Sovietica, inoltre, usa la più alta tensione: in alcune zone le linee elettriche trasportano elettricità a 800 000 volt.

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1876 L'inventore Alexander Graham Betl, di origine scozzese, inventa il telefono.

V ocabolarietto

t In una moderna centrale a energia nucleare 1 chilo di uranio, usato come carburante, produce la stessa quantità di elettricità prodotta da 2 000 tonnellate di carbone in una centrale tradizionale. Quando sarà realizzata la fusione nucleare 1 chilo di carburante produrrà 6 volte tanto.

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Il filamento di una lampadina elettrica è fatto di tungsteno, che è uno dei metalli meglio resistenti al calore che si conoscano. Può reggere una temperatura fino a 3 400 °C prima di fondersi. Se potessimo trasformare in energia elettrica l'energia solare che si potrebbe raccogliere su 200 chilometri quadrati del deserto del Sahara avremmo energia sufficiente per rifornire di elettricità tutto il mondo.

1879 1752 Benjamin Fran.klin dimostra che le nubi temporalesche sono cariche di elettricità statica. 1800

Il conte Alessandro Volta realizza la prima batteria.

1831 Lo scienziato inglese Michael Faraday - costruisce il primo generatore di corrente elettrica.

1882 Edison impianta la prima rete di illuminazione pubblica. La sua centrale di Pearl Street a New York alimenta negozi e abitazioni in un raggio di 2 chilometri.

1956

1838 In America Samuel Morse costruisce il primo telegrafo elettrico. Il codice che porta il suo nome, viene usato tuttora. 1858 Viene pos trans

A Berlino si inaugura la prima ferrovia elettrica del mondo. Thomas Edison costruisce la prima lampadina elettrica. Resterà accesa per 40 ore prima che il filamento si bruci.

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telegrafico

In Inghilterra, a Calder Hall, viene aperta la prima centrale che produce energia elettrica servendosi dell'energia atomica. Oggi, nel mondo, ci sono più di 300 centrali nucleari.

1975

I!: passata sulla catena di montaggio la prima automobile elettrica prodotta in serie.

Il generatore elettrico di Faraday.

Il treno-razzo giapponese.

Il record mondiale di velocità su binari normali è tenuto da una locomotiva elettrica: nel marzo del 1955, in Francia, ha raggiunto la velocità di 330 chilometri l'ora. I treni elettrici giapponesi sulla linea Tokaido raggiungono normalmente i 255 chilometri l'ora. L'ultimo cavo telefonico transatlantico è veramente molto sottile: ha il diametro inferiore a 4 cm é regge oltre 1 800 telefonate contemporaneamente. In tutto il mondo ci sono più di 400 milioni di telefoni. lo alcuni paesi, fra cui l'Italia, si possono chiamare direttamente tutte le varie regioni senza dover ricorrere al centralinista, ma componendo semplicemente il prefisso corrispondente. Il più recente satellite unisce l'Europa, l'Africa e l'America. Può passare fino a 6 000 chiamate telefoniche contemporaneamente.

Gli impulsi dagli organi sensoriali si trasmettono al cervello e di nuovo dal cervello ai muscoli sotto forma di debolissime correnti elettriche. Questi impulsi vanno alla velocità di 400 chilometri l'ora. Anche il più piccolo fulmine è una riserva di elettricità sufficiente ad alimentare un paese per un giorno intero. La temperatura che si produce nella scarica è di circa 30 000 °C. La temperatura della superficie del Sole è di soli 6 000 °C. I più alti piloni della corrente elettrica si trovano proprio io Italia, nello stretto di Messina, fra la Sicilia e la Calabria. Raggiungono l'altezza di 220 metri e un pilone dista 3 ,6 chilometri dall'altro.

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Stretto di Messina

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Ed ora una lista dei termini tecnici usati in questo libro. Troverai qui solo quei termini che non sono stati sufficientemente spiegati nel testo.

Elettromagnete Barra di ferro con diversi giri di filo metallico attorno (bobina). Quando passa corrente nella bobina il ferro diventa una calamita molto potente. filo arrotolato

Armatura Avvolgimento di un motore elettrico che è fatto ruotare dal campo magnetico. barra di ferro Centrale secondaria Centrale elettrica in cui un trasformatore riduce la tensione dell'elettricità fornita. Circuito Cammino lungo cui passa la corrente elettrica. La corrente non passa finché il circuito non è chiuso. Condensatore In una centrale elettrica il vapore che viene dalle turbine è fatto passare in un condensatore per riportarlo allo stato liquido, cioè per ottenere di nuovo dell'acqua. Conduttore Materiale che permette un facile passaggio della corrente elettrica. Elettricità statica Forma di elettricità che si ottiene sfregando alcuni materiali.

fissione Scissione degli atomi di uranio ottenuta colpendoli con neutroni. Quando gli atomi si spezzano sprigionano energia che si può trasformare in elettricità. Fusione Unione di due atomi per formarne un terzo. Da questa unione si sprigiona molta energia. Generatore Macchina che ruotando produce energia elettrica. I generatori delle centrali elettriche producono corrente alternata. I generatori che producono corrente continua si chiamano dinamo. Le biciclette spesso banno una dinamo nella ruota posteriore per alimentare la luce del fanale.

Cose come queste producono molta elettricità. pallone

Elettrodi Le due barre che fanno entrare e uscire la corrente dall'elettrolita contenuto nella batteria.

Elettrolita Soluzione o pasta contenuta in una batteria. Permette il passaggio di corrente.

Spazzole • Dischetti conduttori attraverso cw, in un motore elettrico, giunge corrente· all'armatura. Trasformatore Apparecchio usato per abbassare o per alzare la tensione. I trasformatori usano solo con la corrente alternata.

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Costruiamo un interruttore TAVOLETrA F~RMACARTE

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Per costruire questi altri circuiti avrai bisogno di un interruttore. Procurati due puntine da disegno, una tavoletta di legno e un fermacarte. Fai esattamente come nella figura.

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VIDEOSAPERE Questa nuova collana, attraverso le immagini usate come in una sequenza di film, e con l'aiuto di testi brevi e immediati, vuole dare ai ragazzi la possibilità di vedere e di capire fatti scientifici e umani di grande importanza, scoprendone i come e i perchè con la stessa tecnica del documentario. Partendo da cose concrete e coinvolgendo i ragazzi in un modo a loro familiare, i volumi di questa collana, di volta in volta, parlano di fenomeni scientifici e fisici, di storia e di geografia, raccontando e spiegando con lo stesso ritmo incalzante e appassionante di un film.

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