Prof. Francesco Zampieri CORSO DI FISICA Prof. Francesco Zampieri http://digilander.libero.it/fedrojp/ fedro@dada.it CORRENTI ELETTRICHE

LE CORRENTI ELETTRICHE

MOTO DI CARICHE Quale condizione per il moto? Nel definire il potenziale abbiamo supposto di muovere le cariche dall’infinito Quale condizione per il moto? Deve esserci una FORZA MOTRICE = E Creazione di una ddp V tra i punti dello spazio Creazione di E in una regione dello spazio Come creo questo collegamento?

LA PILA DI VOLTA A. Volta (1800) Disco di Cu Panno imbevuto di acido Disco di Zn I diversi metalli creano una DIVERSA CONCENTRAZIONE DELLE CARICHE Possibilità di creare una DDP che DEVE essere associata ad un CAMPO EL.

– + Zinco: minor concentrazione di elettroni (regione ove prevalgono cariche positive = POLO POSITIVO Rame: maggior concentrazione di elettroni (regione ove prevalgono cariche negative = POLO NEGATIVO In un acido la concentrazione delle cariche può agevolare il passaggio di elettroni L’effetto è amplificato se uso più celle sovrapposte GENERATORE DI TENSIONE (ddp)

SPIEGARE QUESTI FENOMENI! generatore CIRCUITO ELETTRICO utilizzatore Se collego un GENERATORE DI TENSIONE ad un conduttore e ad un UTILIZZATORE ho vari effetti Se l’utilizzatore è una lampadina, si accende! SPIEGARE QUESTI FENOMENI!

ELETTRODINAMICA  studia il moto delle cariche soggette a E, ovvero a ddp F subita = q·E q Il moto avviene nella direzione del campo elettrico E (il verso dipende dal segno!) Se E è uniforme, la carica subisce MOTO UNIF. ACCEL (perché soggetta a F costante)

MOTO DI CARICHE IN UN CONDUTTORE Un conduttore metallico sottoposto a E Sezione di conduttore E v Gli elettroni di conduzione vengono sospinti dal campo elettrico creato dalla ddp ai capi. Si crea un “fiume” di cariche negative che si muovono CONTRARIAMENTE AL CAMPO ELETTRICO!

IL FIUME DI CARICHE Lo spostamento delle cariche è analogo ad una corrente idraulica PORTATA DI UN FIUME = m3 di acqua che in 1s fluiscono attraverso la SEZIONE S del fiume Quale la portata del fiume di cariche?

LA CORRENTE ELETTRICA [I] = C/s = AMPERE (A) q “PORTATA” = quantità di carica che in 1s passa attraverso la sezione del conduttore [I] = C/s = AMPERE (A) 1 A è la corrente che si genera quando 1C di carica fluisce in 1s attraverso la sezione del conduttore

Circuito elettrico + – V Verso di I + – V Se ho una ddp V ai capi, essa mi farà fluire una certa corrente attraverso la sezione del conduttore C.El.: da + a –, ma le cariche si spostano da – a +. Per convenzione, il verso della corrente si assume SEMPRE COME IL CAMPO ELETTRICO

LE LEGGI DI OHM ci dicono le MODALITA’ con cui la corrente fluisce in un circuito

LA PRIMA LEGGE Ci dice come la ddp V ai capi influenza la corrente I che fluisce nel circuito Se aumento V, come varia I? C’è da pensare che una ddp maggiore è associata ad un E maggiore, quindi le cariche si muovono più velocemente  I aumenta Ma quale legge? Quale dipendenza?

Per alcuni conduttori la dipendenza tra I e V è LINEARE I misurata Rapporto costante I/V = K V variabile (es. variando il numero delle pile inserite) Che significato ha la costante K?

K è la costante di proporzionalità = PENDENZA DELLA RETTA Aumento maggiore I Aumento minore CONDUTTORE 2 CONDUTTORE 1 V Tanto minore è l’aumento, quanto meno facilmente avviene la conduzione di I  C’E’ MAGGIORE… RESISTENZA!! Tanto maggiore è l’aumento, quanto più facilmente avviene la conduzione di I  C’E’ MINORE… RESISTENZA!!

LA RESISTENZA ELETTRICA Definisco una nuova grandezza detta RESISTENZA R del conduttore, tale che: R misura la DIFFICOLTA’ da parte del conduttore a far passare I

V = R·I LA PRIMA LEGGE DI OHM Se I = K·V = 1/R ·V In questa maniera, [R] = Volt / Ampere = OHM  Non tutti i conduttori la seguono, solo quelli OHMICI

INTERPRETAZIONE MICROSCOPICA DI R Microsc. una carica è ostacolata nel suo moto entro conduttore Dalle altre cariche Dai protoni dei nuclei URTI dei portatori di corrente contro il reticolo cristallino del conduttore

E’ misurata da R DA COSA DIPENDE TALE DIFFICOLTA’? Caratt.fisiche del conduttore (tipo e disposizione dei legami, dislocazione dei nuclei) Lunghezza l del conduttore (l , R ) Sezione S del conduttore (S , R)

SECONDA LEGGE DI OHM  = RESISTIVITA’del materiale (rende conto della dip. di R dal materiale e dalla sua T)  dipende da T

 = 0(1+T) Dipendenza di  da T Se T è alta, il materiale ha particelle con grande agitazione termica  più difficile moto cariche all’interno e quindi  deve aumentare  = 0(1+T)

difficoltà nel moto  CAUSATA DA URTI fra le cariche e le particelle del materiale URTO = DISSIPAZIONE DI ENERGIA (cfr. attrito!) Ecin_1 < Ecin_0 Ecin_0 Sezione cond. prima dopo COSA IMPLICANO LE PERDITE DI ENERGIA?

Necessità di ripristinare continuamente ddp (un generatore SI SCARICA DISSIPAZIONI (U < 0) EFFETTI TERMICI (macroscopici) dovuti a URTI (microscopici)

EFFETTO JOULE DELLA CORRENTE L’energia dissipata dalle cariche a causa degli urti, viene data alle particelle del conduttore La carica perde energia Le partic. del mezzo sono state urtate e hanno RICEVUTO ENERGIA Sezione cond. Le partic. del conduttore hanno ricevuto energia, incrementando U interna e quindi T

EFFETTO JOULE = effetto di riscaldamento di un conduttore percorso da corrente Macrosc. è dato dagli urti microscopici tra cariche in moto e partic. del conduttore Un conduttore attraversato da corrente subisce un incremento di T proporzionale alla sua resistenza R Funzionamento di phon, stufe elettriche…

Per effetto Joule, alcuni conduttori, scaldandosi, EMETTONO ANCHE RADIAZIONE VISIBILE Es. lampadina!

L = q·V Ma q/t = I Come MISURARE le dissipazioni? Calcolo il LAVORO DISSIPATO nell’attraversamento di un conduttore di resistenza R dalla corrente I L = q·V Se ora divido per t, ho POTENZA Ma q/t = I

V = R·I P = V·I Se ora vale la prima legge di Ohm: E’ la potenza dissipata attraversando la resistenza R

L = P·t = RI2 t Se poi conosco il tempo di attraversamento t, si ha: Es. 1KWh = 3.600.000 J di energia elettrica in 1h di utilizzazione! Conoscendo la potenza in kW di un elettrodomestico, se conosco il tempo di utilizzo, posso risalire al consumo in energia!

I CIRCUITI ELETTRICI Si dice CIRCUITO ELETTRICO un insieme di: Corpi conduttori (fili) Generatori di tensione (pile, ecc..) Utilizzatori (lampadine) Elementi quali: condensatori, induttanze, ecc.. + STRUMENTI DI LETTURA (Amperometri, Voltmetri)

LA RESISTENZA COME ELEMENTO DI UN CIRCUITO Ogni conduttore ha una RESISTENZA R che si può immaginare CONCENTRATA in un punto qualsivoglia del circuito I R V

IL CIRCUITO OHMICO V = R·I R V Se vale la legge di Ohm, per la R attraversata, c’è una CADUTA DI TENSIONE AI CAPI V = R·I I è la corrente che attraversa la resistenza

IL COLLEGAMENTO DELLE RESISTENZE Allo scopo di CREARE DELLE CADUTE DI TENSIONE (es. lampadine che sopportano al max una certa Imax), si possono inserire altre resistenze in due modi: IN SERIE ( una dopo l’altra) saranno attraversate dalla stessa I R IN PARALLELO causeranno la stessa caduta di tensione, ma sono attraversate da correnti diverse

RESISTENZE IN SERIE VTOT = V1 + V2 R1 e R2 sono attraversate dalla stessa corrente I VTOT = V1 + V2 Posso pensare di sostituire le due resistenze con UN’UNICA RESISTENZA DETTA EQUIVALENTE Req

V TOT = R1 · I + R2 · I = I ·(R1 + R2) Come dipende Req da R1 e R2? Req è tale che V TOT = I·R eq Ma se il salto di potenziale è la somma dei due salti dovuti a R1 e R2: V TOT = R1 · I + R2 · I = I ·(R1 + R2) ALLORA Req = R1 + R2 Req è sempre maggiore delle singole R! Se ho N resistenze, allora:

RESISTENZE IN PARALLELO Ai capi c’è sempre la stessa ddp! V Posso pensare di sostituire le due resistenze con UN’UNICA RESISTENZA DETTA EQUIVALENTE Req

Come dipende Req da R1 e R2? Ovviamente Req sarà tale che: V TOT = I·Req  Ma I = I1+I2 Req è sempre MINORE della più piccola

IL CONDENSATORE Sistema formato da due conduttori (piastre o armature) su cui si deposita carica Q UGUALE MA DI SEGNO OPPOSTO (caricate x induzione) Es. condensatore piano – + – Si instaura un c.el. UNIFORME + – Q + – + – + E – + –

Q/V = cost = C CAPACITA’ DEL CONDENSATORE Un condensatore serve per ACCUMULARE LE CARICHE in un circuito Se accumulo una certa quantità di carica, creo un c.el. e quindi una certa ddp fra le armature Q/V = cost = C CAPACITA’ DEL CONDENSATORE Si dim. che C dipende solo dalle caratteristiche geometriche del condensatore e dal mezzo interposto [C]= C/V = FARAD F

IL CONDENSATORE come elemento di un circuito (il circuito RC) V Anche i condensatori possono essere collegati IN SERIE O IN PARALLELO!

Si può immaginare di sostituire i due condensatori con un unico Ceq CONDENSATORI IN SERIE C1 C2 La carica che si deposita sulle armature è la stessa e vale Q Il salto totale di potenziale vale V TOT = V1 + V2 Si può immaginare di sostituire i due condensatori con un unico Ceq

Come dipende la capacità di Ceq da C1 e C2? Ceq è tale che:

Si può immaginare di sostituire i due condensatori con un unico Ceq CONDENSATORI IN PARALLELO Subiscono lo stesso salto di potenziale V C1 C2 La carica che si deposita sulle armature è diversa: Q1 e Q2, con Qtot = Q1+Q2 Si può immaginare di sostituire i due condensatori con un unico Ceq

Ceq = C1+C2 Q1= V ·C1 e Q2= V ·C2 Come dipende la capacità di Ceq da C1 e C2? Ceq è tale che Q1= V ·C1 e Q2= V ·C2 Q= Q1+Q2= V ·C1 + V ·C2= V ·(C1+C2) Ceq = C1+C2