La corrente elettrica

A B

H

h

P

Prima che si raggiunga l'equilibrio c'è un intervallo di tempo dove il livello del fluido non è uguale.

Il verso del movimento del fluido va dal vaso a livello maggiore (A) verso quello con livello minore (B).

Se voglio mantenere il dislivello devo prendere il fluido da B e riportarlo in A. Interviene l'ambiente esterno (la pompa)

L'energia della pompa va:

guadagno = movimento del fluido (energia meccanica)

energia termica dovuta agli attriti interni della pompa e agli attriti sviluppatisi nei vasi

ANALOGIA:

pompa = generatore di corrente

vasi = filo

movimento dell'acqua = corrente

Come nei vasi, anche nel filo ci deve essere un dislivello; se non metto un generatore di corrente, il movimento di elettroni finisce.

BILANCIO ENERGETICO:

energia elettrica = energia chimica

energia meccanica = energia elettrica

energia termica = energia termica

EFFETTO JOULE

Descrive la perdita di energia termica in un circuito

E' un movimento ordinato di cariche (elettroni) sotto l'azione di un campo elettrico

Prendiamo un filo di materiale conduttore, per esempio rame.

1) Se sul filo non viene applicato un campo elettrico, gli elettroni oscillano da uno ione all'altro. C'è un movimento disordinato di cariche.

E

2) Se esercito l'azione di un campo elettrico l'elettrone si muove secondo l'azione della forza; la forza è diretta verso il senso opposto. C'è un movimento ordinato di cariche.

E

Il secondo caso descrive ciò che avviene al passaggio della corrente.

si definisce intensità della corrente elettrica il rapporto tra la quantità di carica DQ, che attraversa la sezione trasversale di un conduttore in un intervallo di tempo Dt, e lo stesso intervallo Dt:

si misura in ampere (A), cioè C/sec

La corrente elettrica può cambiare da istante a istante. Quando l'intensità della corrente si mantiene costante nel tempo, si dice che la corrente è continua. In questo caso la quantità di carica DQ che attraversa la sezione trasversale del conduttore è direttamente proporzionale all'intervallo di tempo Dt; infatti:

DQ = iDt

dove i è una costante.

VERSO DELLA CORRENTE ELETTRICA

Seguendo una vecchia usanza, si sceglie come verso della corrente elettrica quello che va da punti a potenziale alto a potenziale basso. Si tratta di una semplice convenzione, che ha solo lo scopo doi fissare le idee. In realtà gli elettroni vanno dai punti a potenziale minore a quelli a potenziale maggiore

La corrente elettrica fluisce in un conduttore fintanto che ai suoi capi esiste una differenza di potenziale. Per mantenere questa differenza serve un generatore di tensione, che può essere una pila, una dinamo della bici.

Ogni generatore ha due morsetti con cui si collega ai conduttori:

il polo positivo (+) che si trova a potenziale elevato

il polo negativo (-) che è a potenziale più basso

All'interno dei generatori agiscono delle forze che in generale non sono di natura elettrica (chimica, magnetica..)

Affinché in un conduttore passi una corrente elettrica, occorre inserirlo in un circuito, del quale deve far parte un generatore di tensione.

Un circuito elettrico è costituito da un insieme di conduttori connessi l'uno all'altro in modo continuo e collegati ai poli di un generatore.

Poiché il percorso della corrente è circolare si dice che essa circola nel circuito

+ -

Il circuito più semplice è costituito da un filo metallico collegato ai poli di un generatore.

Un circuito si dice:

chiuso quando non ha interruzioni; affinché in un circuito passi una corrente continua è essenziale che esso sia chiuso

aperto quando si interrompe e la corrente non passa più

esterno = è tutto quello che è fuori dal generatore

interno = è il generatore

Tutti i circuiti si riducono a due tipi fondamentali:

in serie = due o più conduttori sono disposti in successione, cioè uno di seguito all'altro. Ognuno di essi è attraversato dalla stessa corrente (lampadine di Natale)

in parallelo = due o più conduttori hanno la prima estremità e la seconda rispettivamente in comune. La corrente che li attraversa non è la stessa (impianto elettrico domestico)

i = i₁ + i₂ + i₃

₍₁₎

A B

₍₂₎

A B

R₂ > R₁

V₁ = V₂

Nel filo (1), nell'unità di tempo passano più elettroni perché trovano meno resistenza (più corrente elettrica)

+ -

C

A B

La corrente arriva in A e si ripartisce in due rami.

A e B sono due nodi

nodo = incontro di almeno due fili

maglia = qualunque percorso chiuso

L'intensità di B è uguale a quella A, perché vale il principio di conservazione della carica.

La corrente i nel filo è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale DV applicata ai suoi estremi. La relazione si può scrivere come:

DV

i

R

R

grandezza caratteristica del conduttore, che dipende da diverse sue proprietà:

tipo di materiale

temperatura del filo

lunghezza e sezione del filo

esprime la difficoltà che incontra la corrente nel fluire all'interno del conduttore.

Si chiama resistenza elettrica

Si misura in Ohm (W

1 Ohm è la resistenza di un conduttore che viene percorso da una corrente di intensità pari a 1 ampere quando ai suoi estremi si applica una differenza di potenziale di 1 Volt (volt/ampere)

è uguale per tutto il filo. I punti A e B sono stati messi a caso

in un circuito elettrico si rappresenta con ^^^^^^

+ -

r

A B

R

r = resistenza del generatore (energia persa nel generatore stesso)

R = resistenza dell'ambiente esterno (energia che viene dissipata nell'ambiente esterno)

Quando gli elettroni incontrano la resistenza, subiscono degli urti. L'energia viene persa sotto forma di calore. C'è una caduta di tensione. La quantità di energia persa è uguale a V_AB = iR

rappresenta la perdita di energia attraverso una R

ENERGIA CHIMICA = ENERGIA TERMICA

----- ----- --------- ----- -----

Q Q

Forza elettromatrice persa nel circuito = iR

è un potenziale, non una persa nel generatore = ir

forza. Si misura in Volt

forza elettromatrice = iR + ir

La resistenza elettrica di un filo conduttore è direttamente proporzionale alla sua lunghezza e inversamente proporzionale alla sua sezione

l

R = r

A

r (ro) = coefficiente di proporzionalità che dipende dal materiale e dalla temperatura. Si chiama resistività o resistenza specifica. Si misura in ohm per metro

l = lunghezza del filo

A = sezione del filo

R₁ R₂

A B C

Questo è un collegamento in serie, dove l'intensità della corrente è uguale in ogni suo punto.

Io voglio sapere qual è la resistenza equivalente del circuito, cioè qual è la resistenza totale (R₁ + R₂)

Utilizzo la prima legge di Ohm, che dice che DV = iR DV rappresenta la caduta di tensione)

DV_AC = DV_AB + DV_BC

iR_E = iR₁ + iR₂

Posso eliminare i, perché l'intensità della corrente è uguale

R_E = R₁ + R₂

R₁

A B

R₂

Questo è un collegamento in parallelo, dove l'intensità della corrente, quando arriva in A, si ripartisce in i₁ e i₂.

i = i₁ + i₂

Teniamo in considerazione la prima legge di Ohm, che dice che i = DV/R

DV_AB        DV_AB DV_AB

--------- = ------- + --------

R_E R₁ R₂

DV_AB posso eliminarlo, perché è uguale in tutti i membri

1 1 1

----- = ----- + -----

R_E R₁ R₂

Che può essere anche scritto come

R₁R₂

R_E = ------------

R₁ + R₂

OSSERVAZIONI per i collegamenti in parallelo

Se ci fossero due lampadine uguali e se i fili sono uguali (se c'è cioè una resistenza uguale), la corrente si ripartisce in modo uguale

R² R

R_E = ----- = -----

2R 2

Deduco che la resistenza equivalente è sempre più piccola delle singole resistenze.

Se collego tanti fili in parallelo, la resistenza totale è molto piccola.

Tenendo in considerazione la legge di Ohm i = DV/R, sapendo che DV in casa è uguale a 220V e sapendo che la R_E diminuisce, so che la i aumenta.

Una i troppo alta distrugge gli elettrodomestici. Per ovviare a questo problema si usano i fusibili.

CONCLUSIONE

Collegamenti in serie = le resistenze sono tutte attraversate dalla stessa corrente. Il potenziale è dato dalla somma di tutte le cadute di tensione

Collegamenti in parallelo = c'è più corrente dove la resistenza è minore. La caduta di tensione è uguale. Il valore della corrente è inversamente proporzionale alla resistenza

A

R

B

Nel tratto breve di AB c'è meno resistenza, quindi la corrente preferisce andare da quella parte

AB rappresenta il corto circuito, dove la R è molto piccola e di conseguenza la i molto alta

Un conduttore metallico attraversato dalla corrente elettrica si riscalda. Il calore è prodotto dalla corrente che attraversa questo filo.

Questo fenomeno (effetto joule) è dovuto agli urti degli elettroni contro il reticolo cristallino

DU

----- = DV

Q

DU rappresenta il lavoro che compie il generatore per spostare l'elettrone nel circuito esterno

W = DV Q

Essendo i = Q/t, risulta che Q = ti

W = DV ti

Il lavoro corrisponde al calore sviluppato, quindi

Calore = DV ti

Questa formula si può scrivere anche in un altro modo. Consideriamo DV come iR. Risulta che:

Calore = i² Rt

W

P = -----

t

DV i t

P = ----------

t

P = DV i

Sapendo che DV è uguale a iR, risulta che

P = i² R

I consumi dell'energia elettrica vengono spesso espressi non in joule, ma in chilowattora.

Si tratta di un'unità di misura di energia ed è definita come l'energia assorbita nell'intervallo di tempo di un'ora da un dispositivo che impiega la potenza di 1000W

1 chilowattora = 3.6 10⁶ joule