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Enzo Grossi
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1 Corrente elettrica Università degli Studi di Udine - Polo Medico Corso di Laurea in Infermieristica - PN isidoro.sciarratta@alice.it

2 Elettroni liberi ed agitazione termica A livello microscopico, un solido metallico (come il rame) è costituito da un reticolo di ioni positivi (atomi privati di uno o due degli elettroni più esterni). Gli elettroni più esterni (detti di conduzione) costituiscono una sorta di gas di elettroni liberi di muoversi in modo casuale nel reticolo cristallino. 2

l'intensità di corrente) non registra nulla a causa del loro moto estremamente disordinato: il moto di agitazione termica non

3 Elettroni liberi ed agitazione termica Gli elettroni di conduzione sono animati da una agitazione termica con velocità altissime (dell'ordine di 10 6 m/s), in qualunque direzione, ma, nonostante ciò, un amperometro (lo strumento che permette di misurare l'intensità di corrente) non registra nulla a causa del loro moto estremamente disordinato: il moto di agitazione termica non causa una corrente macroscopica misurabile. Considerando una sezione del filo, la quantità di carica che lo attraversa è in media nulla. 3

4 Problema Ai capi di un filo lungo 1 m viene collegata una batteria in grado di fornire 100 V di differenza di potenziale (detta anche tensione elettrica). Quanto vale il campo elettrico all'interno del filo e come si muovono gli elettroni di conduzione del filo elettrico? V0 ΔV = V-V0 = 100V V 4

5 Il campo elettrico all'interno del filo ha modulo E = 100 V/m ed è naturalmente diretto dal potenziale maggiore a quello minore. Gli elettroni subiscono una forza elettrica di intensità F = E e, ma il loro moto non è uniformemente accelerato come se fossero nel vuoto perché essi sono ostacolati dalla presenza degli ioni del reticolo e dall'agitazione termica. In condizioni stazionarie al moto caotico si sovrappone un lento moto di deriva verso il polo a potenziale maggiore. La velocità di deriva è molto bassa, dell'ordine di 10-1 mm/s. Ma, essendo un moto d'insieme ordinato di tutti gli elettroni liberi, costituisce una corrente elettrica macroscopica, misurabile con gli strumenti. V0 ΔV = V-V0 = 100V V 5

6 Velocità degli elettroni Per contra alla temperatura ambiente la velocità quadratica media osservabile corrispondente all'agitazione termica (senza direzione dato che si tratta di uno scalare) quindi proporzionale alla temperatura e legata alla distribuzione di Maxwell-Boltzmann dalla: da cui si ricava che 1 2 m e v 2 = 3 2 k BT v! 108 km s 6

Caratteristiche della corrente elettrica La corrente elettrica nei conduttori metallici è costituita dal lento moto di deriva degli elettroni in direzione del potenziale maggiore.

7 Caratteristiche della corrente elettrica La corrente elettrica nei conduttori metallici è costituita dal lento moto di deriva degli elettroni in direzione del potenziale maggiore. Per convenzione si assume come verso della corrente, il verso che avrebbero i portatori di carica positivi e quindi il verso convenzionale della corrente è opposto alla velocità di deriva degli elettroni. Nonostante la corrente venga rappresentata tramite frecce che ne indicano la direzione, essa non è un vettore. La corrente è sempre la stessa qualsiasi sia l'orientamento del filo elettrico. V ΔV = V-V0 = V 7

Verso convenzionale della corrente punti a potenziale più alto e E I e punti a potenziale più basso V La corrente fluisce finché esiste un dislivello di potenziale.

8 Verso convenzionale della corrente punti a potenziale più alto e E I e punti a potenziale più basso V La corrente fluisce finché esiste un dislivello di potenziale. Quando la differenza di potenziale si annulla, la corrente cessa. Essa va da punti del conduttore a potenziale più alto verso punti a potenziale più basso. La differenza di potenziale si chiama anche tensione. 8

9 circuito elettrico elementare 9

10 costruzione della curva caratteristica A V ΔV (V) I (A) 0,0 0,000 1,0 0,005 2,0 0,009 3,0 0,014 4,0 0,018 5,0 0,023 6,0 0,028 7,0 0,033 8,0 0,037 9,0 0,042 10,0 0,046 10

11 0,1 y = 0,0046x R² = 0,9995 Curva caratteristica del conduttore 0,0 0,0 I (A) 0,0 0,0 0,0 0,000 1,000 2,000 3,000 4,000 5,000 6,000 7,000 8,000 9,000 10,000 ΔV (V) 11

12 I legge di Ohm La differenza di potenziale V, applicata ai capi di un conduttore elettrico, determina in questo il passaggio di una corrente elettrica la cui intensità è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale applicata ed inversamente proporzionale alla resistenza elettrica del conduttore I = 1 R ΔV ossia ΔV = R I 12

13 Curve caratteristiche di un gruppo di sei conduttori metallici: Risulta evidente che: 1. Per ogni conduttore metallico corre una relazione di proporzionalità diretta fra tensione applicata e corrente elettrica che fluisce nello stesso; 2. i conduttori differiscono l uno dall altro solo per il diverso livello di conducibilità deducibile dalle pendenze delle curve ING uniud - Lab Fisica 13 is

14 piastra dei collegamenti (breadboard) 14

15 collegamenti tipici per la cc di un conduttore metallico ricavata on-line 15

16 c. c. di un set di conduttori metallici 16

17 curve caratteristiche dirette ed inverse del precedente set di conduttori metallici 17

18 curve caratteristiche dirette ed inverse del precedente set di conduttori metallici con altro sistema on-line 18

19 Resistenze a carbone 19

20 Codice e colori per resistenze e condensatori Prima e seconda riga in cifre Terza riga in numero di zeri Quarta riga: tolleranza (oro 5% ; argento 10%) 20

21 Codice e colori 21

22 collegamenti per curva c. del diodo al silicio 22

23 curva c. di un diodo al silicio 23

24 24

25 collegamenti per curva c. di un diodo LED 25

26 curve c. diodi: germanio, silicio e led 26

27 curve c. di quattro diodi LED 27

28 curve c. di quattro diodi Zener 28

29 curva c. diretta di una lampadina 29

30 curva c. inversa e diretta 30

31 lampada alimentata a 0.1 Hz 31

32 lampada alimentata a 0.02 Hz 32

33 Seconda legge di Ohm 33

34 dipendenza di R dalla lunghezza l V A punti sperimentali circuito 34

35 dipendenza di R dalla sezione S circuito V punti sperimentali A 35

36 Seconda legge di Ohm i materiale Lunghezza m Diametro mm Sezione mm 2 Resistenza Ω 6 NK costantana acciaio rame La costantana è una lega di rame (58%) e nichel (42%) 36

37 Seconda legge di Ohm V V A A 37

38 Seconda legge di Ohm resistività dei principali materiali Materiale Resistività (Ωm) Materiale Resistività (Ωm) Argento 0, Rame 0, Oro 0, Alluminio 0, Tungsteno 0, Ottone 0, Ferro 0, Platino 0, Carbonio Germanio 4, Silicio 6, Vetro Gomma Zolfo Quarzo fuso Pelle umana circa 5, Acciaio 0, Piombo 0, Nickelcromo 1,

39 Legge estesa di Ohm In ogni circuito elettrico la fem erogata dal generatore si ripartisce nella somma di una differenziale di potenziale V est assorbita dal carico esterno (la somma di tutte le resistenza alimentate) e di una differenza di potenziale V int interna al generatore stesso. In entrambi, infatti, circola la stessa intensità di corrente I V A fem = ( R + r)i = = RI + ri = = ΔV est + ΔV int 39

40 tenendo conto degli strumenti A V 40

41 Legge estesa di Ohm F.e.m. (V) R est (Ω) I (A) ΔV est (V) ΔV int (V) r (Ω) r/(r+r) % 9,08 122,2 0,06 8,78 0,30 5,00 3,9 9,08 11,3 0,68 7,85 1,23 1,81 13,8 9,08 10,6 0,72 7,8 1,28 1,78 14,4 9,08 9,4 0,79 7,7 1,38 1,75 15,7 9,08 8,2 0,85 7,6 1,48 1,74 17,5 9,08 7,4 0,98 7,4 1,68 1,71 18,8 9,08 6,7 1,12 7,3 1,78 1,59 19,2 9,08 5,4 1,25 7,0 2,08 1,66 23,6 9,08 4,7 1,5 6,9 2,18 1,45 23,6 9,08 3,8 1,8 6,4 2,68 1,49 28,2 9,08 2,4 2,3 5,7 3,38 1,47 38,0 9,08 1,4 3,2 4,7 4,38 1,37 49,4 41

42 Resistenze in serie ed in parallelo collegamento in Serie R1 R2 R3 collegamento in parallelo R1 R2 R3 1 R eq = n i=1 1 R i 42

43 Esperimento sulla verifica delle leggi sui collegamenti A V 43

44 Generatori in serie ed in parallelo generatori in serie generatori in parallelo collegamento misto di generatori 44

45 Effetto Joule A termometro V 45

46 Effetto Joule Termicamente Q = mc ΔΘ Elettricamente W = P Δt = ΔV I Δt = = R I 2 Δt = E per confronto: JQ = W Q = 1 J R I 2 Δt 46

47 Pericolosità della corrente 47

48 Schema riassuntivo degli effetti della corrente per tempi di contatto prolungato Valori di corrente 1-3 ma Definizione SOGLIA DI PERCEZIONE Effetti Non si hanno rischi o pericoli per la salute ma ELETTRIFICAZIONE Produce una sensazione di formicolio più o meno forte e può provocare movimenti riflessi. 10 ma TETANIZZAZIONE Si hanno contrazioni muscolari. Se la parte in tensione è stata afferrata con la mano si può avere paralisi dei muscoli, rendendo difficile il distacco. 25 ma DIFFICOLTÀ RESPIRATORIE Si hanno a causa della contrazione di muscoli addetti alla respirazione e del passaggio di corrente per i centri nervosi che sovrintendono alla funzione respiratoria ma ASFISSIA ma FIBRILLAZIONE La tetanizzazione dei muscoli della respirazione può essere tale da provocare la morte per asfissia. Se la corrente attraversa il cuore può alterarne il regolare funzionamento, provocando una contrazione irregolare e disordinata 48 delle fibre cardiache che può portare Isidoro alla morte. Sciarratta

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