CORRENTE ELETTRICA PRIMA LEZIONE

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1 CORRENTE ELETTRICA PRIMA LEZIONE

2 RIPASSIAMO L ATOMO NUCLEO PROTONE NEUTRONE 1. È una porzione piccolissima della materia (tuttora non si è potuta vedere col più potente dei microscopi) 2. È formato da un nucleo centrale, costituito a sua volta da piccolissime particelle: a. Protoni, con carica elettrica positiva b. Neutroni, senza carica elettrica 3. Attorno al nucleo ruotano gli elettroni, particelle con carica elettrica negativa 4. Il numero di protoni = al numero di elettroni, infatti l atomo si dice elettricamente neutro ELETTRONE

3 L ATOMO DI RAME Il rame è uno dei metalli più usati per trasportare la corrente elettrica, infatti è un ottimo conduttore. Per capire cos è la corrente elettrica è il caso di studiare quest atomo: 1 livello: 2 elettroni 2 livello: 8 elettroni 3 livello: 18 elettroni 4 livello: 1 elettrone 1. Il nucleo è formato da 29 Protoni e 35 Neutroni 2. Attorno al nucleo ruotano 29 Elettroni 3. Gli elettroni si dispongono attorno al nucleo non in modo casuale ma secondo determinate regole; e queste regole valgono per tutti gli atomi: a. gli elettroni si distribuiscono attorno al nucleo in livelli energetici ben definiti, fino a un massimo di 7 livelli; b. ogni livello può accogliere un numero massimo di elettroni, secondo una determinata legge (che qui si omette) e questi non andranno mai ad occupare un livello superiore se prima non sarà completato il livello precedente. 4. Nell atomo di rame si vedono 4 livelli energetici, nel 1 ci sono 2 elettroni, nel 2 ci sono 8 elettroni, nel 3 ci sono 18 elettroni, nel 4 ce n è uno solo.

4 L ELETTRONE LIBERO Elettrone libero 1. Sappiamo che i protoni del nucleo, con carica positiva, attraggono gli elettroni che ruotano attorno, poiché hanno carica opposta (negativa). 2. L elettrone dell ultimo livello risente molto poco dell attrazione esercitata dai protoni nel nucleo poiché è quello più distante. 3. Inoltre tutti gli altri 28 elettroni dei livelli inferiori tendono ad allontanarlo, poiché hanno la stessa carica! 4. A questo elettrone basta una piccola forza esterna per farlo staccare dall atomo e spostare su un altro, prendendo il posto di un altro elettrone che nel frattempo era stato spostato: questo elettrone si definisce elettrone libero, poiché è libero di spostarsi da un atomo a un altro se mosso da una forza esterna. 5. Tutti i materiali conduttori (e il rame lo è) possiedono elettroni liberi.

5 LA CORRENTE ELETTRICA Per comprendere come si possano spostare gli elettroni liberi consideriamo due oggetti A e B, inizialmente NEUTRI: con un qualunque sistema è possibile spostare elettroni dal corpo B al corpo A, in tal modo il corpo che perde elettroni (corpo B) si carica positivamente poiché rimangono i protoni, mentre il corpo che acquista gli elettroni (corpo A) si carica negativamente. Quando due corpi sono carichi di segno opposto, cioè su uno si sono spostate cariche negative (e diventa un corpo negativo, qui corpo A) e l altro che perde le cariche negative diventa positivo (perché ha perso elettroni ma non i protoni, qui corpo B), si dice che tra i due corpi A e B esiste una differenza di potenziale o Tensione elettrica. Tanto maggiore è l accumulo di cariche opposte sui due corpi tanto più grande è la differenza di potenziale tra i due corpi. La differenza di potenziale è una grandezza che si indica con la lettera V si misura in Volt (V)

6 Se ora si collegano i due corpi A e B con un filo di rame, materiale conduttore, in modo naturale gli elettroni accumulati sul corpo A tornano verso il corpo B attraversando il filo di rame. Come avviene questo movimento? Si sa che tra i due corpi si stabilisce un attrazione reciproca, poiché cariche opposte si attraggono. Ma quali cariche possono muoversi per andare da un corpo all altro? Gli elettroni, e precisamente gli elettroni liberi. Il corpo B, positivo, inizia a richiamare verso di sé gli elettroni liberi del filo di rame a contatto con la sua superficie: gli atomi che perdono l elettrone libero (passato dal rame al corpo B) lo sostituiscono con quello di un atomo vicino e questo flusso continuo di elettroni avviene in modo ordinato dagli atomi via via più lontani del rame finchè non si iniziano a prelevare gli elettroni accumulati sul corpo A. Questo flusso di elettroni liberi da A a B si chiama corrente elettrica. Quando tutte le cariche positive di B sono state annullate dagli elettroni provenienti da A si stabilisce di nuovo l equilibrio elettrico tra i due corpi (A e B tornano neutri) ed il flusso di corrente elettrica termina. In tal caso, non esisterà più la differenza di potenziale (o tensione elettrica) tra A e B.

7 CORRENTE ELETTRICA CORPO A (negativo) Tra il corpo A ed il corpo B esiste una DIFFERENZA DI POTENZIALE o TENSIONE ELETTTRICA semplicemente per il fatto che sono caricati con cariche opposte. Se i due corpi sono uniti con un materiale conduttore B attrae a sé gli elettroni liberi, a partire da quelli degli atomi del conduttore, fino ad attirare quelli del corpo A (che sostituiranno via via gli elettroni del materiale conduttore già attirati da B) CORPO B (positivo) Si crea così un flusso continuo ed ordinato di elettroni dal corpo A al corpo B che si definisce CORRENTE ELETTRICA: A è detto polo negativo e B polo positivo. Per convenzione la corrente elettrica viene però considerata come un flusso ordinato di cariche elettriche da un polo positivo a un polo negativo.

8 GRANDEZZE ELETTRICHE Abbiamo già definito la DIFFERENZA DI POTENZIALE o TENSIONE ELETTTRICA, cioè la differenza di cariche opposte presenti su due corpi vicini tra di loro. Senza DdP non esisterebbe la corrente elettrica. Si indica con la lettera V e si misura in Volt (anch essa si indica con una V). Si definisce Intensità di corrente elettrica il numero di cariche elettriche (elettroni) che passano in una determinata sezione del filo conduttore nell unità di tempo. Questa grandezza si indica con la lettera I si misura in Ampere (A). Se tra due corpi esiste una tensione elettrica sempre più grande, maggiore sarà l intensità di corrente: questo significa che gli elettroni scorreranno più velocemente e quindi in numero maggiore nell unità di tempo attraverso la sezione del filo conduttore. INTENSITA DI CORRENTE ELETTRICA E DIFFERENZA DI POTENZIALE (O TENSIONE ELETTRICA) SONO QUINDI DIRETTAMENTE PROPORZIONALI. Sezione del filo conduttore Intensità di corrente elettrica: numero di elettroni che vi passano nell unità di tempo.

9 La Resistenza elettrica è una grandezza che si indica con la lettera R e si misura in Ohm ( ). Indica la difficoltà che hanno gli elettroni ad attraversare il conduttore e dipende da tre fattori: 1. dalla lunghezza del conduttore (più è lungo più resistenza oppone al flusso di elettroni); 2. dallo spessore del conduttore (più è spesso meno resistenza oppone al flusso di elettroni); 3. dal materiale del conduttore (più il materiale è un buon conduttore minore sarà la resistenza opposta al flusso degli elettroni). Maggiore è la resistenza opposta dal conduttore, minore sarà quindi la quantità di cariche che passano nell unità di tempo per la sua sezione, minore sarà cioè l Intensità di corrente elettrica: INTENSITA DI CORRENTE ELETTRICA E RESISTENZA SONO INVERSAMENTE PROPORZIONALI. LEGGE DI OHM Esiste una legge fisica che lega tra di loro le tre grandezze viste prima, è la Legge di Ohm: l Intensità di corrente elettrica è direttamente proporzionale alla Tensione elettrica ed inversamente proporzionale alla Resistenza E si può scrivere: I = V R Intensità = Tensione Resistenza da cui le formule inverse V = IxR ed R = V I

10 Esercizio svolto. In un circuito elettrico la Tensione è di 240 volt e la Resistenza è variabile e assume i valori di 10, 20, 30, 60 ohm. a) Calcola i valori dell'intensità di corrente corrispondenti a ciascun valore della resistenza, mediante la legge di Ohm; b) Indica con x i valori della resistenza e con y i valori dell'intensità della corrente ed esprimi y in funzione di x; c) dopo aver scelto le opportune unità di misura rappresenta i dati ottenuti su un grafico cartesiano: che proporzionalità esiste tra I e R?. V=240V R 1 =10, R 2 =20, R 3 =30, R 4 =60 I=? a) Dalla Legge di Ohm I = V/I si ricavano i valori di I I 1 = V/R 1 da cui I 1 = 240/10 = 24A I 2 = V/R 2 da cui I 2 = 240/20 = 12A I 3 = V/R 3 da cui I 3 = 240/30 = 8A I 4 = V/R 4 da cui I 4 = 240/60 = 4A

11 b) y=v/x c) di seguito il grafico cartesiano.

12 ESERCIZI Esercizio 1 Ad un circuito elettrico è applicata una differenza di potenziale di 240 volt e vengono applicate successivamente delle resistenze con 15, 30, 60, 80, 120 ohm. Calcola, in ampere (A), le intensità di corrente che lo attraversano. Dopo aver scelto le opportune unità di misura, costruisci il relativo diagramma cartesiano, portando i valori di R sull'asse delle ascisse e i valori di I sull'asse delle ordinate; (per le unità di misura, ad esempio si può porre 1cm=10 ohm, 1cm=2A) Che proporzionalità esiste tra R ed I? Esercizio 2 In un circuito elettrico la resistenza ha valore di 2 ohm; la pila che genera la corrente elettrica ha una tensione iniziale di 6 volt. Man mano che passa il tempo il valore della tensione diminuisce secondo i seguenti valori V 0 =6V V 1 =5,4V V 2 =5V V 3 =4,8V V 4 =4V V 5 =3V V 6 =1,4V V 7 =0V. Calcola il valore dell Intensità I di corrente elettrica al variare della Tensione V; Rappresenta su un grafico cartesiano i valori ottenuti ponendo sull asse X i valori della tensione V e sull asse Y quelli dell Intensità; Che proporzionalità esiste tra V ed I?