Seconda Lezione

Ripasso generale

Approfondimento [KIT]: Come funziona la breadboard (o basetta sperimentale).
Durata massima: 20 minuti.

Breve spiegazione del funzionamento.
Consegna della breadboard.

Approfondimento [KIT]: Creiamo il nostro primo circuito.
Durata massima: 30 minuti.

Consegna materiali: 2 batterie da 1,5V – Resistenza – Led – Interruttore
Assemblaggio del circuito sulla breadboard

Quando si utilizzano dei LED è necessario regolare la corrente che arriva al led, per non bruciarlo. A questo scopo si aggiunge al circuito una Resistenza, che limita il passaggio di corrente verso il led.

Formula per calcolare la resistenza di un LED:

Resistenza = (Voltaggio Batteria – Voltaggio Led) / Corrente Led

R = (Vbatteria – Vled) / Iled

Nel caso di una batteria da 3V, con un led rosso (Voltaggio = 2V, Corrente = 20mA), occorre una resistenza da 51 Ω

Pile o Batterie: a cosa servono, come funzionano

I nomi Pila e Batteria sono spesso usati come sinonimi. Le Pile (o Batterie) sono la sorgente di elettroni del nostro circuito. Servono a trasformare energia chimica in energia elettrica. Nell’esempio del tubo e dell’acqua, le pile sono rappresentate dal serbatoio che contiene l’acqua. Le pile creano la differenza di potenziale e fanno muovere gli elettroni all’interno del circuito. La prima pila moderna è stata costruita nel 1799 da Alessandro Volta. Ad oggi esistono tanti tipi di pila, ognuno con caratteristiche diverse.
Come funziona una pila? La pila genera corrente continua attraverso una reazione chimica tra due materiali. Uno dei due materiali libera elettroni che vengono attirati dall’altro materiale. La pila si collega al circuito tramite due “poli”, uno positivo e uno negativo. La corrente viaggia dal polo positivo a quello negativo (ricordiamo che questo è solo un modello descrittivo). Quando tutti gli elettroni disponibili si sono spostati da un materiale all’altro, la pila è “scarica” e non genera più differenza di potenziale. Alcuni tipi di pile si possono ricaricare, altri no. Ricaricare una pila non ricaricabile è rischioso, la pila può surriscaldarsi ed esplodere, o far uscire materiale tossico o corrosivo. Le pile ricaricabili devono essere caricare con appositi dispositivi elettronici, perché presentano gli stessi rischi delle altre.

Esercitazione: Misurare il voltaggio di alcune pile
Durata massima: 15 minuti

Potenza e Consumo. Il “Watt” e il “Wattora”

Le vecchie lampadine a incandescenza (quelle di vetro col filo elettrico che si illumina) vengono scelte in base ai Watt. Il Watt (simbolo W) rappresenta la Potenza (cioè il lavoro compiuto o l’energia scambiata nell’unità di tempo). Una lampadina da 100 W fa molta più luce di una da 40 W, ma consuma anche di più. Questo consumo viene misurato in Wattora (simbolo Wh). Se lasciamo accesa una lampadina da 100 W per un’ora, questa consumerà 100 Wh.

La Potenza si può calcolare con questa formula: W = V * I

Ogni batteria può fornire una certa quantità di corrente elettrica ad un certo voltaggio. La quantità di corrente disponibile viene misurata in Ampere/Ora (simbolo: Ah). Una pila con un voltaggio di 1,5 V e una carica di 1 Ah può fornire una corrente continua di 1 Ampere per un’ora ad una tensione di 1,5 V, oppure una corrente continua di 2 Ampere per mezzora, o qualsiasi altra combinazione di corrente e di tempo (sebbene nelle pile ci siano dei limiti fisici per la quantità massima di corrente erogabile in un dato istante).
La potenza della batteria è di 1,5 V * 1 A = 1,5 W e può fornire un’energia di 1,5 Wh (cioè fornire la sua potenza di 1,5 W per un’ora).

Nelle nostre case abbiamo diversi elettrodomestici. Ognuno di questi ha un certo consumo, dato dalla sua potenza di consumo, e cioè dalla corrente assorbita, per l’unità di tempo (ad esempio un’ora). I nostri elettrodomestici sono collegati alla corrente elettrica fornita dall’Enel (o da un’altra compagnia, da quando esiste il libero mercato). In ogni casa c’è un limite alla potenza erogata dall’impianto. Nella maggior parte delle case la potenza massima è di 3 kW. Ciò vuol dire che possiamo collegare e usare contemporaneamente gli elettrodomestici per una potenza massima assorbita di 3 kW (3000 W). Se usiamo contemporaneamente un asciugacapelli, un forno elettrico e una stufetta elettrica è molto probabile che supereremo il limite massimo di potenza, facendo “saltare la luce” (il flusso di corrente si interrompe per non superare il carico massimo consentito e non creare danni all’impianto). Il costo della corrente elettrica utilizzata si misura invece in Euro al kWh (kiloWatt / ora, cioè quanti kiloWatt consumo in un’ora). Un kWh di energia elettrica costa circa 0,20 Euro.

Esercitazione: facciamo alcuni calcoli

Se abbiamo una lampadina da 100 W e la lasciamo accesa per 5 ore, quanti kWh consuma? Quanto costerà l’energia consumata? E se la lasciamo accesa per 5 ore al giorno per un anno (365 giorni) quanto costerà?

Collegamenti “in serie” e “in parallelo”

In un circuito elettrico alcuni elementi possono essere collegati in serie o in parallelo, per ottenere diversi risultati. Ad esempio possiamo collegare in serie o in parallelo le pile, le resistenze, i led, le lampadine, eccetera.
In un collegamento “in serie” due o più elementi sono collegati uno dopo l’altro, in modo che la corrente attraversi prima il primo elemento, poi il secondo, poi il terzo, ecc…
In un collegamento “in parallelo” due o più elementi sono collegati uno affianco all’altro, in modo che la corrente attraversi contemporaneamente tutti gli elementi.
Per fare un raffronto con l’esempio dell’acqua e del tubo, immaginiamo di avere tre vaschette per contenere l’acqua. Se colleghiamo le tre vaschette al tubo “in serie”, l’acqua entrerà nella prima vaschetta e solo quando questa sarà piena, l’acqua comincerà ad entrare nella seconda vaschetta; quando anche la seconda vaschetta sarà piena, l’acqua comincerà ad entrare nella terza vaschetta, e così via. Quindi le tre vaschette si riempiranno una alla volta. Se invece colleghiamo le tre vaschette “in parallelo”, l’acqua comincerà ad entrare in tutte e tre le vaschette nello stesso istante. Le tre vaschette si riempiranno contemporaneamente.

Alcuni elementi, come i LED, hanno una “polarità”, cioè la corrente li attraversa in un’unica direzione (nel caso delle pile la corrente scorre da un polo all’altro e mai viceversa). Per questi elementi con una polarità, il collegamento in serie avviene collegando il polo + del secondo elemento al polo – del primo, il polo + del terzo elemento al polo – del secondo, eccetera. Il collegamento in parallelo avviene collegando tutti i poli + tra loro, e tutti i poli – tra loro, in modo che la corrente scorra per tutti nella stessa direzione contemporaneamente.

E’ possibile creare circuiti in cui gli elementi sono in serie e anche in parallelo tra loro (ad esempio un gruppo di 3 led in serie, collegato in parallelo ad un altro gruppo di 3 led in serie).

Pile “in serie” e “in parallelo”

Cosa succede se colleghiamo due o più batterie in serie? Innanzitutto otterremo un “pacco batterie”, che è come una batteria più potente, in grado di fornire più energia elettrica. Il voltaggio delle singole batterie si somma. Quindi se collego in serie due batterie da 1,5 V avrò un pacco batterie da 3 V (cioè una nuova batteria da 3 V). Se una singola batteria ha una potenza di 1,5 W, un pacco da due batterie avrà potenza doppia.

Il collegamento in parallelo con le batterie più comuni non è una buona idea. Se le batterie collegate hanno diverso voltaggio o diversa carica al loro interno, possono verificarsi dei danni alle batterie (surriscaldamento, esplosione, perdita di materiale corrosivo).

Resistenze “in serie” e “in parallelo”

Le resistenze non hanno polarità. Se colleghiamo più resistenze in serie, la resistenza totale è la somma delle singole resistenze. Ad esempio collegando in serie una resistenza da 56 ohm con una da 330 ohm, otterremo una resistenza da 386 ohm.
Se colleghiamo più resistenze in parallelo, la resistenza totale si calcola con questa formula:

Rtot = (R1 * R2 * … * Rn) / (R1 + R2 + … + Rn)

LED “in serie” e “in parallelo”

I LED hanno una polarità. La cosa più importante nel collegare più LED in serie o in parallelo è che i LED abbiano tutti lo stesso Voltaggio richiesto e la stessa Corrente richiesta.

Se colleghiamo più LED in serie, il Voltaggio totale necessario per alimentare i LED sarà dato dalla somma dei voltaggi necessari per alimentare i singoli LED. La corrente richiesta sarà quella del singolo LED.

Se colleghiamo più LED in parallelo, il Voltaggio totale sarà quello del singolo LED, mentre la corrente richiesta sarà la somma delle correnti dei vari LED.