Passaggio dell’elettricità nei gas

1. Passaggio dell’elettricità nei
gas
Fenomeni e spiegazioni microscopiche
Luca Di Fino

2. Finalità dell’insegnamento
• Concorrere alla formazione della cultura globale
• Arricchire la preparazione di base
• Capacità critica
• Capacità interpretativa
• Capacità propositiva
• Contribuire a costruire una professionalità futura
• Applicazioni tecniche
• Processi tecnologici
• Acquisire un insieme organico di metodi e contenuti, per un’adeguata
conoscenza ed interpretazione della natura secondo le modalità proprie
del metodo scientifico:
• Osservazione di un fenomeno e raccolta dati
• Formulazione di ipotesi
• Costruzione di un modello predittivo
• Verifica sperimentale
• Capacità di analizzare e schematizzare situazioni reali
• Capacità di affrontare e risolvere problemi concreti e nuovi

3. Passaggio dell’elettricità nei
gasContesto scolastico
• Liceo Scientifico, classe 5°
Obiettivi generali
• Sapere che un gas può comportarsi come un conduttore elettrico
• Osservazioni qualitative
• Comprendere i diversi fenomeni a livello microscopico
• Evidenziare applicazioni nella realtà quotidiana
Collocazione nell’ambito dell’attività didattica
• All'interno dell’unità sulla conduzione elettrica nei diversi materiali
Nodi disciplinari
• Solo in alcune situazioni i gas assumono proprietà di conduttori
• Il passaggio di corrente dipende dalla tensione e dalla pressione
Prerequisiti
• Concetti di potenziale elettrico, campo elettrico e struttura dell’atomo
Tempo di realizzazione
• 2-3 ore

4. Metodologia
Introdurre il tema partendo da osservazioni qualitative
Utilizzo delle tecnologie multimediali per stimolare diversi canali di comunicazione
Osservare la variabilità dei fenomeni tramite esperienze di laboratorio
1. Brainstorming
2. Lezione interattiva
• Lezione orientata all’interazione con gli studenti
• Osservazione di fenomeni naturali di conduzione nei gas
• Contributi dall’esperienza quotidiana (filmati, foto) in grado di stimolare l’interesse
3. Lezione frontale
• Classificazione dei diversi fenomeni
• Descrizione microscopica dei meccanismi responsabili della conduzione nei gas
• Variabilità dei fenomeni col variare di alcuni parametri
4. Esperienza in laboratorio
• Macchine elettrostatiche
• Approfondimenti
• Approfondimenti storici
• Applicazioni nella fisica delle particelle (rivelatori di particelle)
• Fenomeni analoghi (rivelatori a liquido, rivelatori a stato solido)

5. Progettazione didattica
Unità didattiche
• Struttura atomica della materia
• Elettrostatica: il campo elettrico e le sue rappresentazioni
• Campo elettrico
• Potenziale elettrico
• Elettrodinamica: la corrente elettrica e le sue
caratteristiche
• Resistenza e legge di Ohm
• Conduzione elettrica nei gas
• Elettromagnetismo
• Fisica moderna
Prerequisiti

6. Brainstorming
Partendo dalle caratteristiche elettriche dei gas (neutri) si
pongono alcune domande per stimolare la discussione in
classe.
• I gas sono isolanti?
• Esempi
• E’ sempre vero?
• Fenomeni che contraddicono quanto sopra
• Possibili spiegazioni

7. Lezione interattiva
• Esempi di conduzione nell’aria
• Elettroscopio carico
• Scarica di un elettroscopio carico
• Elettroscopio sotto vuoto
• Effetto di agenti ionizzanti (sostanze radioattive, fiamme, raggi X)
• Spiegazione microscopica
• Aria parzialmente ionizzata
-> debolmente conduttore
• Agenti ionizzanti
-> aumento degli ioni disponibili
scoperta dei raggi cosmici (Hess, 1912)

8. Lezione frontale:
Corrente nei gas a pressione
normale
La conduzione dei gas non segue la legge di Ohm
La corrente è proporzionale alla distanza tra le armature

9. Lezione frontale:
Fenomeni luminosi nella scarica a pressione
normale
• Eccitazione elettroni in uno stato metastabile
• Diseccitazione provoca l’emissione di un
fotone (senza riscaldamento)
• Scintilla durante la scarica a valanga
• Arco voltaico
• Elettroni emessi per effetto termoionico
• Bassa tensione, alta corrente, alta temperatura ( > 4000°)
Rocchetto di Ruhmkorff
Esperienza di laboratorio:
Macchina elettrostatica
Scariche nelle nubi: fulmini, lampi e tuoni

10. Lezione frontale:
Scarica nei gas rarefatti
• Dal tubo in cui si trovano gli elettrodi in alta
tensione si estrae progressivamente l’aria
• Da scariche rumorose ma non luminose si passa
alla scarica a bagliore
• Raggi catodici
Esperienza di laboratorio:
Scala di Cross
40 mmHg - 0,01 mmHg
6 kV
Dalla scarica continua
fino alla fluorescenza
La scoperta dell’elettrone
Applicazione pratica: tubi a luminescenza (neon)

11. Fulmini: analisi del fenomeno
Grandezze
caratteristiche
i 2-200 kA
V 1-10 x 109 kV
q 5-10 C
t 5-500 ms
• A causa della ddp dalla nuvola partono una o più scariche pilota, silenziose e
debolmente luminose.
• Dal terreno partono analoghe schiere di cariche positive verso l'alto.
• Le cariche positive e quelle negative si incontrano a circa 15-50 metri dal suolo.
• Scarica di ritorno: un intensissimo flusso di cariche positive dal terreno
raggiunge la nuvola lungo il percorso precedentemente preparato dalle scariche
pilota che si sono staccate dalla nuvola.
• Il tuono è dovuto all’espansione improvvisa dell’aria riscaldata per effetto Joule
• Quando la scarica di ritorno raggiunge la nuvola una vasta zona di quest'ultima
viene neutralizzata e si generano degli squilibri con conseguenti scariche
interne alla nuvola.
• Altre scariche possono formarsi seguendo il percorso di gas ionizzato formatosi
precedentemente

12. Verifica
• L’apprendimento verrà verificato nell’ambito della verifica
all’unità didattica
• Interrogazioni orali
• Migliorare e valutare la qualità dell’apprendimento e l’acquisizione
del linguaggio specifico
• Occasione di apprendimento per la classe
• Prove scritte
• Verifiche formative
• Comprensione dei contenuti e validità del percorso e della metodologia
• Test veloci
• Verifiche sommative
• Verificare conoscenze, comprensione, capacità di applicazione e di
rielaborazione
• Risoluzione di esercizi e domande aperte

13. Riepilogo
• La lezione così strutturata va oltre l’impostazione
classica della lezione frontale top-down
• L’interattività permette di favorire la partecipazione
del gruppo classe
• L’utilizzo di strumenti multimediali stimola
l’attenzione e l’approfondimento personale
• L’utilizzo di diversi canali di comunicazione
permette una personalizzazione della didattica che
tiene conto anche dei BES