Corrente elettrica. Esempio LA CORRENTE ELETTRICA CONTINUA. Cos è la corrente elettrica? Definizione di intensità di corrente elettrica

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1 Corrente elettrica LA CORRENTE ELETTRICA CONTINUA Cos è la corrente elettrica? La corrente elettrica è un flusso di elettroni che si spostano dentro un conduttore dal polo negativo verso il polo positivo Prof. Crosetto Silvio 2 Prof. Crosetto Silvio Quando si collega una lampadina ad una pila la lampadina si accende mentre la pila fornisce elettroni, la pila è un generatore e la lampadina un utilizzatore di corrente elettrica. Definizione di generatore di tensione e utilizzatore di corrente elettrica Il generatore di tensione è un dispositivo in grado di far circolare in un circuito cariche elettriche. L utilizzatore compie un lavoro tramite il flusso di cariche elettriche che lo raggiunge Per spiegare il fenomeno dell elettricità si fa spesso l analogia con un circuito idraulico. In un circuito idraulico c è una pompa che crea un dislivello con l acqua, l acqua scendendo può mettere in funzione una ruota compiendo un lavoro. Prof. Crosetto Silvio 3 Prof. Crosetto Silvio 4 Analogia tra circuito idraulico e circuito elettrico GENERATORE DI TENSIONE ACQUA TRASPORTATA RUOTA IN MOVIMENTO POMPA IDRAULICA FLUSSO DI CARICHE ELETTRICHE LAMPADINA Definizione di intensità di corrente elettrica L intensità di corrente elettrica è il rapporto tra la quantità di carica che passa attraverso la sezione di un conduttore e l intervallo di tempo in cui passa. I = Q / t l unità di misura nel sistema internazionale è l Ampere che viene anche usata come unità fondamentale. Se la quantità di carica che attraversa la sezione del conduttore è costante nel tempo si parla di CORRENTE CONTINUA, altrimenti si parla di CORRENTE ALTERNATA. Prof. Crosetto Silvio 5 Prof. Crosetto Silvio 6

2 Strumenti di misura usati per misurare intensità di corrente e differenza di potenziale Misura della differenza di potenziale Differenza di potenziale Intensità di corrente Volmetro Amperometro Multimetro Poiché la misura della differenza di potenziale avviene tra due punti bisogna collegare lo strumento in parallelo ossia lo strumento chiude un circuito in parallelo rispetto al collegamento su cui avviene la misura digitale analogico Vs A V Nell esempio a fianco il collegamento su cui avviene la misura è la resistenza R 2 B Prof. Crosetto Silvio 7 Prof. Crosetto Silvio 8 Misura della intensità di corrente Amperometro e Volmetro L intensità di corrente è una grandezza che descrive la quantità di carica che attraversa un conduttore nel tempo. E un flusso di cariche perciò per la sua misura il dispositivo deve essere attraversato dal flusso, quindi l amperometro viene collegato in serie al circuito Vs A Misura dell intensità di corrente erogata dal generatore V s Volmetro Amperometro Prof. Crosetto Silvio 9 Prof. Crosetto Silvio 10 Definizione di potenza elettrica Quando un generatore deve fare passare una certa quantità di carica da un lato all altro di un circuito il generatore deve compiere un lavoro pari a L = q V = i V t Questo lavoro corrisponde all energia che le cariche elettriche trasportano attraverso il conduttore in un tempo t. Si arriva allora alla definizione di potenza elettrica: P = L / t = i V Definizione di resistenza elettrica Un conduttore viene attraversato da corrente soltanto se ai sui capi è presente una differenza di potenziale, perciò la tensione è la causa della intensità di corrente. Il rapporto tra differenza di potenziale e intensità di corrente elettrica si chiama RESISTENZA e si misura in ohm: 1Ω = 1V / 1A La resistenza rappresenta l ostacolo al movimento degli elettroni di un conduttore dovuto alla presenza degli atomi ionizzati del conduttore Prof. Crosetto Silvio 11 Prof. Crosetto Silvio 12

3 Prima legge di Ohm La relazione tra intensità di corrente e differenza di potenziale di un conduttore prende il nome di prima legge di Ohm, è una legge sperimentale: V = R I con R = resistenza, V = differenza di potenziale e I = intensità di corrente Un conduttore che rispetta la prima legge di Ohm si dice OHMICO Resistori e codice dei colori La resistenza può essere misurata con il metodo volt_amperometrico ossia con un volmetro in parallelo e un amperometro in serie Per riconoscere il valore della resistenza dei resistori in commercio si usa il codice dei colori. La prima banda corrisponde alla prima cifra, la seconda alla seconda e la terza al numero di zeri da scrivere dopo le prime due cifre e la quarta all E % Prof. Crosetto Silvio 13 Prof. Crosetto Silvio 14 Potenza in un conduttore ohmico In un conduttore ohmico la potenza assorbita dal conduttore dipende dalla sua resistenza secondo la seguente relazione: P = V I = R I I = R I 2 Per dimostrare la relazione si fa uso della legge di Ohm e della definizione di potenza elettrica. Seconda legge di Ohm La resistenza di un conduttore dipende dalla sua lunghezza, dalla sezione e dal materiale di cui è composto: E direttamente proporzionale alla lunghezza. E inversamente proporzionale alla sezione. R = ρ ( l / S ) con l = lunghezza del conduttore, S = area della sezione e ρ = resistività, dipende dal materiale Prof. Crosetto Silvio 15 Prof. Crosetto Silvio 16 Resistività La resistività rappresenta una misura della difficoltà che gli elettroni incontrano mentre si muovono all interno del conduttore. Minore è la resistività, minore è la resistenza del conduttore. La resistività si misura in Ω m Prof. Crosetto Silvio 17 Resistività e temperatura La resistività è proporzionale alla temperatura. Poiché il movimento degli elettroni è influenzato dalla quantità di ioni presenti nel conduttore e dal loro movimento, all aumentare della temperatura aumenta l energia cinetica degli atomi e quindi diventa più difficile per gli ioni muoversi, allora aumenta la resistività: ρ T = ρ 0 (1 + α ( T T 0 )) con ρ 0 = resisitivtà ad una temperatura di riferimento t 0 il coefficiente α può essere positivo o negativo, per i metalli è positivo Prof. Crosetto Silvio 18

4 Resistenza e temperatura Poiché la resistività cambia con la temperatura, anche la resistenza varia con la temperatura, al diminuire della temperatura è più piccola, all aumentare è più grande. R T = ρ T ( l / S ) = ρ 0 ( l / S ) (1 + α ( T T 0 )) Su questo fenomeno si basano i termistori ossia sensori di temperatura molto sensibili Superconduttori I superconduttori sono materiali particolari che quando la temperatura giunge al di sotto di un determinata temperatura critica T C non ostacolano più il passaggio dell intensità di corrente elettrica. Si comportano quindi come conduttori con R = 0. Prof. Crosetto Silvio 19 Prof. Crosetto Silvio 20 Effetto Joule Cosa succede ad un conduttore con forte resistenza se viene attraversato da un intensità di corrente? Il conduttore si scalda, aumenta molto la sua temperatura, questo fenomeno si chiama effetto Joule L effetto Joule consente di usare l energia elettrica per produrre calore, esempi di macchine di questo tipo sono le stufe elettriche 21 Prof. Crosetto Silvio Prof. Crosetto Silvio 22 Atri esempi di uso dell effetto Joule sono il bollitore, il phon elettrico o il ferro da stiro Legge di Joule La quantità di calore che si sviluppa in un conduttore elettrico è direttamente proporzionale a: Resistenza R del conduttore. Quadrato dell intensità di corrente che attraversa il conduttore L intervallo di tempo durante il quale passa l intensità di corrente Q = R I 2 t dove I = intensità di corrente, R = resistenza, t = intervallo di tempo. Prof. Crosetto Silvio 23 Prof. Crosetto Silvio 24

5 Effetto Joule e riscaldamento dell acqua Supponendo che in un bollitore tutto il calore prodotto dalla corrente elettrica si trasferisca all acqua si può impostare una relazione usando la legge di Joule e la legge della termometria: m c T = R I 2 t allora T = (R I 2 t ) / (m c) m = massa dell acqua, c = calore specifico, T = incremento di temperatura. Altri effetti della corrente elettrica Il passaggio della corrente elettrica può produrre anche altri effetti oltre all aumento di temperatura: Effetto chimico: reazioni chimiche dentro una soluzione con trasporto di ioni. Effetto magnetico: la corrente elettrica produce un campo magnetico che fa ruotare un ago magnetico posto nelle sue vicinanze Prof. Crosetto Silvio 25 Prof. Crosetto Silvio 26 Le lampadine che illuminano un albero di Natale sono un circuito elettrico con tante resistenze collegate in serie e un generatore che è la spina Definizione di circuito elettrico Un circuito elettrico è un insieme di conduttori, resistenze e generatori connessi tra di loro. Nodo: punto in cui convergono o partono più conduttori Ramo: conduttore che collega due nodi, può anche essere presente una resistenza o utilizzatore su di esso. Maglia: circuito elettrico chiuso composto da rami e nodi Prof. Crosetto Silvio 27 Prof. Crosetto Silvio 28 Primo principio di Kirchhoff Il primo principio di Kirchhoff corrisponde al principio di conservazione dell energia per la corrente elettrica, afferma: La somma delle corrente che entrano in un nodo è uguale a quella delle correnti uscenti I 1 + I 2 = I 3 + I 4 + I 5 Secondo principio di Kirchhoff Il secondo principio di Kirchhoff rappresenta anche esso un principio di conservazione ma riguarda le differenze di potenziale: La somma delle differenze di potenziale dei generatori di tensione presenti in una maglia è uguale alla somma delle cadute di tensione presenti nella maglia f 1 + f 2 = R 1 I + R 2 I con f 1,f 2 = forze elettromotrici, differenze di tensione dei generatori, I = intensità di corrente che attraversa la maglia e R 1, R 2 = resistenze presenti nella maglia Prof. Crosetto Silvio 29 Prof. Crosetto Silvio 30

6 Collegamento in serie di resistenze Due resistenze sono collegate in serie quando sono inserite una di seguito all altra in modo che l intensità di corrente elettrica uscente dall una entri in quella successiva, quindi quando sono attraversate dalla stessa intensità di corrente V T = V 1 + V 2 = ( R 1 + R 2 ) I R t = R 1 + R 2 Si applica il II principio di Kirchhoff Collegamento in parallelo di resistenze Due resistenze sono collegate in parallelo quando l intensità di corrente che le attraversa si divide parte su una resistenza parte sull altra e presentano ai loro capi la stessa differenza di potenziale I T = I 1 + I 2 = V T /R 1 + V T /R 2 = ( 1/R 1 +1/R 2 ) V T = 1/R T V T R T =R 1 R 2 / ( R 1 +R 2 ) Si applica il I principio di Kirchhoff Prof. Crosetto Silvio 31 Prof. Crosetto Silvio 32 Collegamento in serie / parallelo di n resistenze Potenza di un circuito serie Rn R T = R 1 + R R n Per calcolare la potenza di un circuito serie si applica il secondo principio di Kirchhoff e la definizione di potenza elettrica. La potenza totale corrisponde alla somma delle potenze consumate dai singoli utilizzatori. Rn 1/R T = 1/R 1 + 1/R / R n P T = V T I= V 1 + V 2 = ( R 1 + R 2 ) I I = R 1 I 2 + R 2 I 2 = P 1 + P 2 Allora P T = P 1 + P 2 Prof. Crosetto Silvio 33 Prof. Crosetto Silvio 34 Potenza di un circuito parallelo La potenza consumata da un circuito in parallelo corrisponde alla somma della potenza consumata dai due utilizzatori esattamente come nel circuito in serie, per dimostrarlo si usa il primo principio di Kirchhoff e la definizione di potenza. P T = V I T = V ( I 1 + I 2 ) = V I 1 + V I 2 = P 1 + P 2 Allora P T = P 1 + P 2 Resistenza interna di un amperometro Quando si usa un dispositivo elettrico è sempre presente una resistenza interna non nulla di cui bisogna tenere conto. Nel caso dell amperometro in una misura di corrente l intensità di corrente diventa: I = V / ( R + r ) dove r = resistenza interna dell amperometro e R = resistenza presente nel circuito Prof. Crosetto Silvio 35 Prof. Crosetto Silvio 36

7 Resistenza interna di un volmetro Poiché il volmetro presenta una resistenza interna che è in parallelo rispetto alla resistenza su cui si misura la differenza di potenziale per evitare che sia attraversato di intensità di corrente presenta una resistenza interna molto alta, tendente ad infinito Resistenza interna di un generatore Anche i generatori di tensione presentano una resistenza interna, perciò la tensione ai loro capi si misura come: V = f em -r I I = f em / ( R + r ) Con f em = forza elettromotrice del generatore e r = resistenza interna Prof. Crosetto Silvio 37 Prof. Crosetto Silvio 38 Bilancio energetico di un generatore Per bilancio energetico di un generatore si intende quanta energia viene prodotta, quanta viene dissipata dal generatore e quanta viene fornita. Vale la seguente relazione: P G = P U + P I Dove P G = potenza fornita, P U = potenza usata dall utilizzatore e P I = potenza dissipata dalla resistenza interna Prof. Crosetto Silvio 39 Collegamento in serie di più generatori Per avere generatori con una differenza di potenziale più alta spesso si collegano in serie, poiché la forza elettromotrice totale è pari alla somma delle singole forze elettromotrici: f T = f 1 + f 2 + f 3 Prof. Crosetto Silvio 40 Conduzione nei liquidi E possibile avere conduzione elettrica nei liquidi? Affinché ci sia conduzione elettrica è necessario avere delle cariche in movimento, in una soluzione esistono ioni liberi, quindi cariche che si possono muovere. Un esempio di dispositivo che sfrutta la conduzione nei liquidi è la batteria, dentro una batteria avviene un movimento di ioni dal polo positivo al polo negativo e viceversa. 41 Prof. Crosetto Silvio Prof. Crosetto Silvio 42

8 Conduzione nei liquidi Una soluzione ionica ossia con ioni liberi si chiama soluzione elettrolitica e consente la conduzione. Affinché si verifichi la conduzione deve essere presente un generatore di tensione con due elettrodi metallici immersi nel liquido, gli ioni liberi per effetto di V si spostano nel liquido verso un elettrodo o verso l altro a seconda della polarità Legge di Faraday La legge di Faraday è la legge che regola il comportamento della conduzione in un liquido La massa di sostanza che si sviluppa agli elettrodi è direttamente proporzionale alla quantità di carica q che passa nella cella m = k q K = equivalente elettrochimico, si misura in Kg / C Prof. Crosetto Silvio 43 Prof. Crosetto Silvio 44 Conduzione nei gas Un gas non contiene cariche libere ma può essere ionizzato bombardandolo con particelle ad alta energia: UV, raggi X e γ. Nella ionizzazione si verifica: L atomo cattura un elettrone e diventa negativo: A + 1e - A - L atomo perde un elettrone e diventa ione positivo: A + 1e - A + In un gas ionizzato ci può essere conduzione elettrica Un esempio di conduzione elettrica nei gas sono i fulmini nell atmosfera terrestre,una miscela gassosa. Quando una nube si carica molto si verifica una V tale da consentire il passaggio di ioni verso Terra. Il picco massimo della corrente in un fulmine è molto breve, dell ordine del microsecondo. Prof. Crosetto Silvio 45 Prof. Crosetto Silvio 46

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