Elettricità e magnetismo

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1 E1 Cos'è l'elettricità La carica elettrica è una proprietà delle particelle elementari (protoni e elettroni) che formano l'atomo. I protoni hanno carica elettrica positiva. Gli elettroni hanno carica elettrica negativa. L'elettricità è si definisce come l'insieme dei fenomeni fisici legati alle interazioni tra cariche elettriche, sia ferme (elettricità statica) che in movimento. La carica elettrica è una proprietà fondamentale delle particelle elementari che compongono la materia. Può essere negativa o positiva. Fig.1: Atomo di carbonio; il nucleo si compone di sei protoni (carica positiva) e di sei neutroni (privi di carica o neutri), mentre negli orbitali sono presenti sei elettroni (carica negativa). L'atomo si compone di un nucleo formato da particelle con carica positiva (protoni) e particelle prive di carica (neutroni); il nucleo è circondato da orbitali nei quali si muovono le particelle con carica negativa (elettroni). 1

2 E1 Normalmente, in un atomo il numero degli elettroni è uguale a quello dei protoni (cfr. fig.1), per cui l'atomo stesso è privo di carica elettrica. Tuttavia, in particolari condizioni, un atomo può perdere o acquistare elettroni acquisendo in tal modo una carica positiva o negativa. In questi casi, l'atomo si definisce: ione positivo (carica positiva) se ha perso elettroni. ione negativo (carica negativa) se ha acquistato elettroni Le cariche elettriche generano un campo di forze. In un atomo, di solito, c'è un eguale numero di protoni e di elettroni. Ma un atomo può perdere o acquistare elettroni, e quindi, può acquisire una carica elettrica diventando uno ione. Si ha: Ione positivo: se l'atomo perde elettroni. Ione negativo: se l'atomo acquista elettroni. In particolare, una delle interazioni tra cariche elettriche in cui si manifestano forze elettromagnetiche è quella schematizzata in figura: Fig.2: Rappresentazione delle interazioni tra cariche elettriche: Forze di carica uguale si respingono Forze di carica opposta si attraggono ovvero: due corpi con carica elettrica dello stesso segno (ad es. + e +) si respingono. due corpi con carica di segno opposto (ad es. + e -) si attraggono. 2

3 E1 La carica elettrica si può trasmettere da un corpo all'altro Gli elettroni possono, infatti, spostarsi da un corpo all'altro quando questi sono messi a contatto (conduzione), creando una corrente elettrica. La trasmissione di cariche elettriche non avviene allo stesso modo in tutti i materiali, perché alcuni di essi oppongono maggiore resistenza al passaggio di elettroni. Si definiscono: conduttori: i materiali che consentono lo scorrimento al loro interno delle cariche elettriche (elettroni o ioni). Sono buoni conduttori i metalli, i corpi umidi e le soluzioni saline. isolanti: i materiali che non si lasciano attraversare facilmente dalle cariche elettriche. Sono isolanti la plastica, il vetro, la gomma, le ceramiche. Grandezze elettriche Supponiamo di accumulare cariche negative su un corpo e di creare su un altro una carenza di elettroni. In queste condizioni, tra i due corpi si genera una differenza di potenziale (d.d.p.) o tensione elettrica V, che sarà tanto più grande quanto maggiore è la differenza di carica. + verso convenzionale della corrente elettrica conduttore 3

4 E1 L'unità di misura della tensione elettrica è il volt (V). Se tra i due corpi viene posto un filo di materiale conduttore, le cariche negative iniziano a spostarsi lungo il filo e si portano sul corpo a carica positiva. In altre parole, tra i due corpi viene a crearsi un flusso di elettroni o corrente elettrica. La misura della quantità di cariche elettriche che attraversano la sezione di un conduttore è detta intensità di corrente e la sua unità di misura è l'ampere (A). Come abbiamo visto, non tutti i materiali si lasciano attraversare allo stesso modo da una corrente elettrica; la resistenza che un corpo oppone al passaggio della corrente può essere misurata ed è a sua volta una grandezza elettrica. L'unità di misura della resistenza è l'ohm (W). Le principali grandezze elettriche e le relative unità di misura sono: La tensione elettrica o differenza di potenziale d.d.p tra due punti A e B di un campo elettrico è una grandezza fisica che misura il lavoro necessario a spostare una carica elettrica unitaria dal punto A al punto B. L'intensità di corrente è una grandezza fisica che misura la quantità di carica elettrica che attraversa la sezione di un conduttore nel tempo di un secondo. grandezza elettrica simbolo unità di misura tensione elettrica o d.d.p. V volt [V] intensità di corrente I ampere [A] Resistenza elettrica R ohm [W] La resistenza elettrica è una grandezza fisica che misura la capacità di un corpo di opporsi al passaggio di una corrente elettrica. La legge di Ohm La prima legge di Ohm afferma che, dato un conduttore con ai suoi capi una differenza di potenziale, la tensione elettrica V è direttamente proporzionale all'intensità di corrente I e il fattore di proporzionalità è la resistenza elettrica R del 4

5 E1 conduttore. Ovvero, si ha: V=RxI (1) Dove V, R e I sono rispettivamente la tensione elettrica applicata agli estremi del conduttore, la sua resistenza e l'intensità di corrente che lo attraversa. I V R I V=RxI La resistenza elettrica R del conduttore dipende: dal materiale che costituisce il conduttore: argento, rame, alluminio sono i metalli che oppongono minore resistenza al passaggio delle cariche elettriche. dalla lunghezza: più lungo è il corpo conduttore maggiore sarà la resistenza. dalla sezione: maggiore è la sezione del conduttore minore sarà la sua resistenza. Dall'equazione (1) si ricavano le seguenti forme: R=V/I I=V/R 5

6 E1 Potenza elettrica e effetto Joule La potenza (P) esprime il lavoro svolto nell'unità di tempo (un secondo); ricordando il legame tra lavoro ed energia, la potenza si può immaginare come l'energia liberata nell'unità di tempo. L'unità di misura della potenza è il watt [W]. In un conduttore percorso da una corrente elettrica tutta o parte dell'energia viene convertita in calore (effetto Joule). La potenza termica liberata per effetto Joule è espressa dalla formula: P=VxI L'effetto Joule è utilizzato per il funzionamento di molti elettrodomestici a resistenza (forni elettrici, asciugacapelli, boiler, etc.) e anche delle lampade a incandescenza, in cui l'aumento di temperatura del filamento è tale da renderlo luminoso. E' invece dannoso per la trasmissione dell'elettricità lungo gli elettrodotti, dove causa la dissipazione sotto forma di calore di parte dell'energia elettrica. La trasmissione ad alta tensione e l'uso di cavi di alluminio di elevata sezione riduce al minimo la perdita sotto forma di calore causata dall'effetto Joule durante il trasporto di energia elettrica alle utenze. 6

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