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LA CORRENTE ELETTRICA Prof. Roberto Capone. La corrente elettrica La corrente elettrica è una grandezza scalare Carica complessiva che attraversa la sezione.

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1 LA CORRENTE ELETTRICA Prof. Roberto Capone

2 La corrente elettrica La corrente elettrica è una grandezza scalare Carica complessiva che attraversa la sezione A nel tempo t: A dq

3 Portatori di carica e verso della corrente Nei conduttori sono presenti cariche di conduzione che possono muoversi liberamente nel materiale Le cariche di conduzione possono essere positive, negative o di entrambi i segni (elettroni di conduzione nei metalli, ioni positivi e negativi nelle soluzioni, ecc.) Il verso della corrente elettrica è quello in cui si muovono le cariche positive Se i portatori di carica sono carichi positivamente, il verso della corrente coincide con quello in cui si muovono i portatori di carica Se i portatori di carica sono carichi negativamente, il verso della corrente è opposto rispetto a quello del moto dei portatori di carica Ai fini del calcolo della corrente, una carica +q che si muove da sinistra verso destra è equivalente a una carica –q che si muove da destra verso sinistra: in entrambi i casi si ha una corrente che scorre da sinistra verso destra

4 Corrente elettrica nei conduttori In un conduttore in equilibrio elettrostatico le cariche di conduzione si muovono in maniera disordinata per effetto dellagitazione termica (gli elettroni di conduzione nei metalli hanno una velocità media dellordine di 10 6 m/s) Se si considera una qualsiasi sezione del conduttore, poiché i portatori di carica si muovono in modo casuale, il flusso netto di carica attraverso tale sezione è nullo In condizioni di equilibrio elettrostatico un conduttore non è attraversato da corrente! Per avere una corrente elettrica stazionaria è necessario che ci sia un flusso netto di carica attraverso una sezione di un conduttore Tale flusso netto di carica può essere mantenuto applicando un campo elettrico allinterno del conduttore I portatori di carica si muovono lungo le linee del campo elettrico, dando luogo ad una corrente

5 Generatori Per mantenere una corrente in un conduttore occorre utilizzare un generatore, che mantiene una d.d.p. costante tra i suoi morsetti La d.d.p. ai capi dei morsetti produce un campo elettrico nella spira conduttrice, che causa il movimento delle cariche allinterno della spira, e quindi la corrente Lenergia necessaria per mantenere in moto i portatori di carica nel conduttore viene fornita dal generatore (in genere a spese della sua energia chimica)

6 Resistenza Applicando la stessa d.d.p. ai capi di diversi conduttori ne risultano correnti diverse Si definisce la resistenza di un conduttore come rapporto tra la d.d.p. applicata ai suoi capi e la corrente che lo attraversa A parità di d.d.p. applicata, la corrente che attraversa un conduttore è tanto maggiore quanto più piccola è la sua resistenza La resistenza rappresenta quindi la tendenza del conduttore ad opporsi al flusso delle cariche che lo attraversano La resistenza in generale varia con la d.d.p. applicata Esiste una classe di conduttori (conduttori ohmici) per i quali la resistenza non dipende dalla d.d.p. applicata in un conduttore ohmico la corrente che fluisce nel conduttore è proporzionale alla d.d.p. applicata (legge di Ohm)

7 Legge di Ohm La corrente elettrica (I) che scorre in un conduttore è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale elettrico (E) applicata alle sue estremità A e B: Questa relazione è la legge di Ohm. La grandezza R, che è il rapporto fra la corrente ed il voltaggio, è chiamata resistenza del conduttore. Linverso della resistenza è chiamato conduttanza (G): In un grafico corrente/voltaggio la legge di Ohm è rappresentata da una retta passante per lorigine ed avente pendenza 1/R

8 II legge di Ohm La resistenza o resistore è un elemento circuitale costituito da un materiale che può essere attraversato da cariche elettriche. Il suo valore R dipende dal materiale e dalle dimensioni. La resistenza è legata alla resistività del materiale (ρ) dalla relazione: ove A rappresenta la sezione trasversa e l la lunghezza del conduttore. Resistività di vari materiali: Conduttori: Rame, ferro, alluminio = / m Semiconduttori:Germanio, silicio, boro = da a 10 2 / m Isolanti:Vetro, plastica, polistirolo = / m

9 Vari tipi di resistori

10 Potenza nei circuiti elettrici Nel tempo dt una carica dq = i dt si sposta dal polo positivo a quello negativo del generatore Lavoro compiuto dal generatore sulla carica dq: Potenza dissipata: La potenza è dissipata per effetto del passaggio delle cariche attraverso la resistenza sotto forma di calore (effetto Joule) R + - i V

11 Resistenze in serie Resistenze in parallelo Collegamento di resistenze

12 Resistenze in serie Il collegamento in serie si realizza concatenando le resistenze Le resistenze collegate in serie sono attraversate dalla stessa corrente R1R1 R2R2 AB C i Legge di Ohm per R 1 : Legge di Ohm per R 2 : Resistenza equivalente: Per N resistenze in serie la resistenza equivalente è data da:

13 Resistenze in parallelo Il collegamento in parallelo si realizza collegando tutte le resistenze alla stessa d.d.p. R1R1 R2R2 A B i i i1i1 i2i2 Legge di Ohm per R 1 : Legge di Ohm per R 2 : Resistenza equivalente: Per N resistenze in parallelo:

14 Unità di misura Lintensità di corrente è una grandezza fondamentale Nel SI la corrente si misura in Ampere (A) La resistenza è invece una grandezza derivata Lequazione dimensionale della resistenza è [R]=[ML 2 T -3 I -2 ] Nel SI la resistenza si misura in ohm (Ω)

15 Reti lineari Rete lineare = circuito composto da generatori e resistenze rami nodi maglie

16 Leggi di Kirchoff Prima legge o legge della corrente: la somma di tutte le correnti entranti in un qualsiasi punto di un circuito elettrico deve essere uguale a zero (non vi può essere accumulo di carica). Seconda legge o legge del voltaggio: la somma di tutti i potenziali elettrici lungo un circuito chiuso deve essere uguale a zero.

17 ANALISI CIRCUITALE: LEGGE DI KIRCHOFF PER LA CORRENTE Indipendentemente dai componenti collegati, la somma di tutte le correnti che entrano ed escono da un nodo è zero. 1. Corrente entrante nel nodo : +ve 2. Corrente che lascia il nodo : -ve Quindi in A, Quindi in B,

18 ANALISI CIRCUITALE: LEGGE DI KIRCHOFF PER IL VOLTAGGIO In un circuito chiuso, la somma di tutte le cadute di potenziale è zero. 1. La corrente viaggia dal potenziale più alto al più basso. 2. Una corrente positiva fluisce dal + al – allinterno di un generatore di voltaggio (batteria). Quindi nel circuito, dovuto alla (2) dovuto alla (1) dovuto alla (2) dovuto alla (1)

19 Divisore di tensione (voltage divider) La tensione di uscita sarà sempre inferiore o al massimo uguale (se R 1 =0) a quella di ingresso 21 RR V I in quindi: 2 IRV out 21 2 RR R VV inout

20 Circuiti elettrici stazionari Come facciamo a determinare le correnti che fluiscono negli elementi circuitali (resistenze) quando le combinazioni di tali elementi diventano più complesse (circuiti) ? Cioè non possiamo ridurre ad ununico resistore equivalente le resistenze presenti nel circuito.

21 Leggi di Kirchoff I legge: dei nodi La somma delle correnti che entrano in nodo deve essere eguale alla somma delle correnti che escono dal nodo stesso." Questa legge deriva dal principio di conservazione della carica, valido in ogni nodo. Le correnti che entrano e escono dai nodi del circuito sono note come correnti di ramo. Ciascun ramo deve avere una distinta corrente, I i assegnata ad esso

22 Leggi di Kirchhoff : II legge: delle maglie La somma algebrica delle differenze di potenziale rilevate su un circuito chiuso in un giro completo è nulla." Questo è soltanto un altro modo per ribadire ciò che sapevamo: la differenza di potenziale è indipendente dal cammino! R1R1 R2R2 I Muovendosi in senso orario sul circuito: IR 1 IR 2 0

23 Regola pratica Muovendosi sul circuito: Gli incrementi di potenziale sono positivi, le diminuzioni (caduta) sono negative. Scegliamo una direzione ARBITRARIA per la corrente e (p. es.) percorriamo il circuito nella medesima direzione. Se una batteria viene attraversata dal terminale negativo a quello positivo, il potenziale aumenta, e quindi la tensione della batteria entra nellequazione con un segno +, Se il percorso scelto è tale da attraversare la batteria da (+) a (-) V diminuisce ed entra nellequazione con il segno -. Attraversando un resistore (resistenza), nel verso della corrente, il potenziale diminuisce e quindi entra nellequazione con un segno -. R1R1 R2R2 I IR 1 IR

24 Regola pratica invertendo il senso della corrente, si ha sulla maglia E impossibile scegliere un verso del cammino sbagliato (circuiti a più maglie). SE INVERTIAMO UN CAMMINO, SI DEVONO CAMBIARE TUTTI I SEGNI NELLEQUAZIONE. Non vi è alcuna differenza nellalgebra ! COMUNQUE, è possibile che nella soluzione una o più delle correnti risultino NEGATIVE. Se questo accade, vuole semplicemente dire che la direzione del flusso di corrente è in realtà opposto a quello del cammino arbitrariamente scelto. IR 1 IR I

25 Esempio a d b e c f R1R1 I R2R2 R3R3 R4R4 I Se e 2 < e 1, I sarebbe negativa, cioè fluirebbe in senso orario, opposto al verso di percorrenza scelto Se e 1 < e 2, I sarebbe negativa, cioè fluirebbe in senso orario, opposto al verso di percorrenza scelto Se invertiamo il verso scelto per I

26 Amperometro e Voltmetro Amperometro: strumento usato per misurare correnti Deve essere connesso in serie. La resistenza interna di un amperometro deve essere la più piccola possibile. Voltmetro: uno strumento usato per misurare differenze di potenziale Deve essere connesso in parallelo. La resistenza interna di un voltmetro deve essere la più grande possibile.

27 Amperometro: misura correnti connesso in serie: bisogna interrompere un ramo di circuito ed inserire lo strumento. In pratica lAmperometro è essenzialmente una resistenza di shunt (di caduta) R s molto bassa, inserita nel ramo del circuito, con un voltmetro ad elevata impedenza connesso ai suoi capi (dello shunt) che misura la corrente di shunt come I = V/R s Voltmetro: misura differenze di potenziale La resistenza interna di un voltmetro deve essere resa la più grande possibile rispetto alle resistenze presenti nel circuito dove effettuare la misura. Se R voltmetro = 100 x R j essa ridurrà il valore effettivo di R j di circa 1% e perturberà il flusso delle correnti nella maglia e, potenzialmente, anche in altre. Amperometro e Voltmetro

28 Esercizio 1

29 Esercizio 2

30 Esercizio 3

31 Esercizio 4

32 Lelettricità Lelettricità risiede nellatomo Cosè la corrente elettrica Vantaggi e svantaggi Conduttori e isolanti Tre grandezze della corrente Potenza ed energia

33 Lelettricità risiede nellatomo Struttura dellatomo: al centro cè il nucleo formato da protoni e neutroni ben legati tra di loro; lontano dal nucleo si trovano gli elettroni. In ogni atomo i protoni, dotati di carica elettrica positiva, attraggono gli elettroni, di carica negativa, con una forza elettrica. Lelettricità è quindi la colla che tiene insieme latomo.

34 Cosè la corrente elettrica Cavo di rame scollegato: linterno del metallo è formato dai nuclei degli atomi e dai loro elettroni. E disegnato però solo un elettrone libero che si sposta tra i nuclei rimanendo però nella stessa zona. Cavo di rame collegato al generatore: il filo di rame è collegato con una pila e una lampadina; lelettrone si muove quindi a zig zag verso il morsetto positivo della pila, dal quale è attratto.

35 Vantaggi e svantaggi Vantaggi: È unenergia comoda e facile da usare È unenergia pulita Si può trasportare con relativa facilità Può essere trasformata facilmente in altre forme di energia Svantaggi La produzione di elettricità partendo da altre fonti energetiche comporta una notevole perdita di energia. Lelettricità non può essere convenientemente accumulata Il trasporto dellelettricità comporta una notevole perdita energetica

36 Conduttori e isolanti Conduttori: sono i materiali che si lasciano attraversare con facilità dalla corrente elettrica, come i metalli, le soluzioni elettrolitiche (per esempio acqua e sale) e i gas ionizzanti (come allinterno dei tubi al neon). Isolanti: sono la ceramica, il vetro, la gomma, le materie plastiche, il legno secco, lolio e altre sostanze che impediscono il passaggio della corrente elettrica.

37 Il circuito elementare Un circuito elementare è costituito da: Un generatore di corrente, Un apparecchio utilizzatore, I fili conduttori di collegamento, Un interruttore.

38 Tre grandezze della corrente Intensità di corrente Lintensità di corrente unitaria corrisponde al passaggio di 6 miliardi di miliardi di elettroni al secondo attraverso una sezione del circuito; si misura in ampere (A). Tensione La tensione elettrica è il dislivello elettrico a cui vengono mantenuti gli elettroni e si misura in volt (V). Questo dislivello è creato dal generatore di corrente. Resistenza E la capacità di un conduttore di opporsi al passaggio di corrente; si misura in ohm ( Ω ) e dipende dal materiale, dalla sezione e dalla lunghezza del conduttore.

39 Potenza ed energia Potenza (watt): si calcola moltiplicando lintensità della corrente che attraversa il filamento per la tensione alla quale è sottoposta. Energia (wattora): lenergia consumata da un apparecchio è misurata dalla sua potenza moltiplicata per il tempo di funzionamento (ore).

40 Generatori di corrente Pila Accumulatore Alternatore

41 Pila Pila normale E formata da tre parti principali: - il contenitore cilindrico di zinco è il polo negativo (-); - lelettrolita è la pasta nerastra con sali di ammoniaca che riempie il contenitore; - il bastoncino di carbone affondato nella pasta è il polo positivo (+). Pila alcalina: è una pila a lunga durata. Pile in serie: se si collegano in serie più pile da 1,5 volt, si ottengono tensioni multiple.

42 Accumulatore Laccumulatore accumula energia elettrica sotto forma di energia chimica e la eroga a un utilizzatore. Questo processo di carica e di scarica può essere ripetuto molte volte. La prima figura mostra un accumulatore per automobile formato da sei celle. La seconda figura mostra una singola cella.

43 Alternatore Lalternatore è una macchina rotante che, quando gira, genera corrente alternata. La dinamo delle biciclette è un piccolo generatore costituito da: - un rotore, magnete cilindrico con quattro poli Nord e quattro poli Sud; - uno statore, costituito da otto piastre di ferro a contatto con un rocchetto di filo di rame con moltissimi elettroni liberi; - una lampadina, collegata col filo di rame.

44 Gli effetti della corrente elettrica Effetto luminoso Effetto termico Effetto magnetico Effetto meccanico Effetto chimico Effetto fisiologico

45 Effetto luminoso : Lampade Lampada comune: dura circa 1000 ore di accensione, costa poco ma è poco efficiente, cioè consuma molto rispetto alla luce che emette. Lampada a fluorescenza: dura circa 8000 ore di accensione, è più costosa ma è molto efficiente, cioè consuma poco rispetto alla luce che emette.

46 Effetto termico: Ferro da stiro Il ferro da stiro è costituito da: - il manico con attacco del filo elettrico e pulsanti per il vapore; - il serbatoio dellacqua; - la piastra, dotata di fori per luscita del vapore.

47 Effetto magnetico :Campanello elettrico Il campanello è formato da una parte meccanica (campana metallica e martelletto) e da un circuito elettrico con un elettromagnete. Funzionamento: premendo il pulsante lelettromagnete si magnetizza, attira la lamina e il martelletto batte sul campanello; allo stesso tempo si interrompe il contatto con la vite, lelettromagnete si smagnetizza e la lamina flessibile torna nella posizione di partenza.

48 Effetto meccanico: Frullatore Il frullatore è formato da tre elementi: - il basamento che contiene il motore con la parte elettrica e lalbero motore; - il bicchiere dotato sul fondo di un utensile formato da sei fruste di metallo; - il motore formato da due pezzi: la parte fissa (statore) e la parte rotante (rotore).

49 Pila: Effetto chimico Pila normale E formata da tre parti principali: - il contenitore cilindrico di zinco è il polo negativo (-); - lelettrolita è la pasta nerastra con sali di ammoniaca che riempie il contenitore; - il bastoncino di carbone affondato nella pasta è il polo positivo (+). Pila alcalina: è una pila a lunga durata. Pile in serie: se si collegano in serie più pile da 1,5 volt, si ottengono tensioni multiple.

50 La scossa elettrica: Effetto fisiologico È lazione che lelettricità può compiere su un organismo vivente. Contatto diretto: la donna tocca un filo scoperto in tensione senza saperlo; se le suole sono di gomma non prende la scossa. Contatto indiretto: il ragazzo tocca la lavatrice che è in tensione per un cavo elettrico difettoso a sua insaputa.

51 La scossa elettrica Contatto diretto: la persona sta sistemando la presa senza avere staccato linterruttore generale e per errore tocca i cavi. Contatto diretto: la donna tocca un filo scoperto in tensione senza saperlo; se le suole sono di gomma non prende la scossa. Contatto indiretto: il ragazzo tocca la lavatrice che è in tensione per un cavo elettrico difettoso a sua insaputa.

52 Per evitare la scossa Non tenere apparecchi elettrici sul bordo della vasca o lavandino. Non impugnare lasciugacapelli con le mani bagnate. Non toccare la vite metallica del portalampada per cambiare una lampadina. Non avvolgere il filo sul ferro da stiro caldo.


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