Argomenti da trattare: “La gioia nell’osservare e nel comprendere è il dono più bello della natura” A. Einstein Argomenti da trattare: Generatori di corrente Forza elettromotrice Effetto Joule

La cascata è una celebre litografia di M. C La cascata è una celebre litografia di M.C. Escher, in cui è rappresentato il concetto di moto perpetuo. Un inganno della percezione ci mostra uno strano circuito idraulico “impossibile” in cui l’acqua azione le pale di un mulino e torna spontaneamente ad alimentare la stessa cascata. La disposizione delle colonne ci tende un tranello inviando al cervello indizi visivi contraddittori che ci inducono a ricostruire mentalmente uno spazio tridimensionale assurdo. Ma la conoscenza della fisica ci aiuta a non cadere vittima dell’imbroglio: al disegno di Escher manca qualcosa. L’acqua non risale spontaneamente un pendio e l’unica cosa che può fare è cadere. Solo una pompa idraulica che utilizzi energia e lavori nel verso contrario alle linee del campo può restituire all’acqua l’energia perduta lungo la discesa. Per fare ciò la pompa deve spingere l’acqua nel verso opposto rispetto al campo gravitazionale, mentre lungo la cascata il moto ha lo stesso verso del campo gravitazionale.

Generatori di corrente L’equivalente della pompa idraulica è il generatore di corrente. Un generatore di corrente è un dispositivo capace di compiere un lavoro contro le forze del campo elettrico, spingendo le cariche nel verso opposto a quello che avrebbero se lasciate a loro stesse.

Se colleghiamo i polo opposti di un generatore con un filo conduttore, le cariche negative si muovono nel filo verso il polo positivo, attratte dalle cariche di segno opposto, mentre all’interno del generatore si muovono in direzione contraria ripristinando la differenza di potenziale.

I generatori di corrente hanno varie applicazioni e vengono usati specialmente nell’industria tecnologica ad esempio sono utilizzati per costruire le macchine fotografiche. Se un dispositivo viene collegato ai poli di un generatore, tramite fili conduttori, realizziamo un circuito elettrico. Quando si forma una struttura lineare chiusa il passaggio di corrente è continuo e il circuito si definisce chiuso mentre se il collegamento presenta un’interruzione il circuito si definisce aperto e non vi è passaggio di corrente.

Forza elettromotrice La grandezza che quantifica la differenza di potenziale è detta forza elettromotrice. Tale forza viene definita come il rapporto tra il lavoro L compiuto dal generatore per spostare una carica q tra i suoi poli e la carica q stessa ; se la carica è positiva la F( em ) è il lavoro compiuto per spostarla dal polo negativo a quello positivo , se la carica è negativa viceversa.

La potenza elettrica Il generatore mantiene la differenza di potenziale ai suoi poli compiendo un lavoro. La potenza elettrica p erogata dal generatore è uguale al lavoro compiuto contro le forze del campo su una carica q nell’unità di tempo, dato dalla formula: dove L=qΔV è il lavoro compiuto dalle forze del campo sulla carica q nell’unità di tempo. Se nel circuito circola una corrente elettrica di intensità i costante, allora la carica q è direttamente proporzionale all’intervallo di tempo ∆t q=i∆t cioè sostituendo q nell’espressione della potenza elettrica si ha: P=∆Vi

James Prescott Joule James Prescott Joule (Salford, 24 dicembre 1818 – Sale, 11 ottobre 1889) fu un fisico britannico. Si dedicò sin da giovane a ricerche scientifiche che eseguiva cercando di spingere all'estremo limite l'accuratezza e la precisione delle misurazioni. Si interessò del calore e delle sue connessioni con l'elettricità e la meccanica. All’età di 25 anni effettuò il primo tentativo di definire l'unità di misura della corrente elettrica, attualmente rappresentata dall'ampere. Nel 1841, indagando sugli effetti termici, inviò alla Royal Society un articolo in cui dimostrava che un conduttore attraversato da corrente elettrica produce calore in quantità proporzionale alla resistenza del conduttore e al quadrato della corrente stessa. Questo fenomeno è oggi chiamato effetto Joule.  

Effetto Joule L’effetto Joule è il fenomeno per cui il passaggio di corrente elettrica attraverso un conduttore è accompagnato dallo sviluppo di calore. La potenza dissipata da un resistore percorso da corrente di intensità i, e ai cui estremi è applicata una differenza di potenziale ∆V, è data dal calore prodotto per effetto Joule quindi è direttamente proporzionale alla resistenza del conduttore e al quadrato dell'intensità della corrente che lo attraversa. Possiamo a questo punto definire la resistenza elettrica come l'attitudine di un conduttore a trasformare l'energia elettrica che lo percorre in calore. Quando in un apparecchio elettrico si richiede che la percentuale di energia elettrica convertita in calore sia molto alta, occorrerà aumentare il più possibile la resistenza dell'apparecchio. Questo avviene per esempio nelle stufe o nei ferri da stiro. In altri casi, invece, è essenziale che venga dispersa meno energia possibile e, benché non sia possibile eliminare completamente l'effetto Joule, si cerca di minimizzare il riscaldamento utilizzando materiali a bassa resistenza, come l'oro, l'argento o il rame. Per questo motivo i cavi che collegano tra loro gli apparecchi elettrici o quelli che portano l'elettricità nelle case sono di rame.

L’Effetto Joule è quindi un fenomeno macroscopico che corrisponde a un aumento dell’energia cinetica delle particelle microscopiche che si manifesta al passaggio di corrente a causa degli urti degli elettroni.

Video illustrativo https://www.youtube.com/watch?v=tVeDUvAB0NM