Tre grandezze importanti

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1 Tre grandezze importanti In un circuito elettrico sono presenti tre grandezze principali, meglio conosciute con le rispettive unità di misura: gli ampere (A), i volt (V), gli ohm (D). Queste grandezze sono legate tra loro. La differenza di potenziale o tensione elettrica Per chiarire il concetto di forza elettromotrice ricorriamo all'esempio di un circuito idraulico: un circuito elettrico assomiglia ad un circuito idraulico, e da esso partiremo per spiegare il funzionamento della corrente. Immaginiamo di avere due recipienti vuoti collegati tra di loro attraverso un tubo uscente dal loro fondo e munito di una valvola che inizialmente é chiusa ed impedisce la comunicazione tra i due recipienti. Versiamo poi in uno di essi dell'acqua fino a riempirlo completamente ed apriamo quindi la valvola. L'acqua scorrerà nel tubo dal recipiente pieno a quello vuoto a causa dell'energia potenziale (peso) posseduta e tale flusso continuerà finché il suo livello non sarà lo stesso nei due recipienti, cioè fino a quando ci sarà una differenza di energia potenziale tra le masse d'acqua. Il dislivello tende ad annullarsi a causa del flusso della corrente d acqua. Inseriamo adesso una pompa, che avrà l effetto di mantenere la differenza di livello tra i due recipienti. Se ora, ritornando al campo elettrico, sostituiamo il recipiente ed il tubo con un conduttore e l'acqua con le cariche elettriche potremo meglio comprendere il concetto di differenza di potenziale.

2 Il circuito elettrico funziona in modo analogo a quello idraulico. La corrente elettrica, che consiste in un movimento di elettroni, scorre dentro il filo conduttore perché ai uoi capi A e B c'è un «dislivello elettrico», o per essere più precisi, una tensione elettrica. La dinamo, che viene tenuta in rotazione, mantiene il dislivello elettrico ai capi del filo, cioè ha la stessa funzione della pompa nel circuito idraulico. Gli elettroni si spostano naturalmente dal polo in cui sono presenti in maggiore quantità (-), a quello in cui ve ne sono meno (+). La dinamo provvede poi a riportarli dal polo positivo a quello negativo, in modo che possano rifare il giro del circuito. Il flusso di elettroni della corrente elettrica, come abbiamo visto, si ha soltanto se tra le estremità del conduttore esiste quella che si definisce una differenza di potenziale elettrico o tensione. Quanto più grande è la differenza di potenziale agli estremi di un conduttore, tanto maggiore è la quantità di corrente che lo attraversa. E la differenza di potenziale sarà tanto maggiore quanto maggiore sarà la forza che spinge gli elettroni. Questa forza si chiama tensione elettrica e si misura con il voltmetro. La sua unità di misura è il volt (simbolo V), il cui nome deriva da quello del famoso fisico italiano Alessandro Volta ( ). L intensità di corrente elettrica Immaginiamo di essere sul bordo di un'autostrada per misurare l'intensità del traffico in quel punto: usando come traguardo una linea immaginaria, trasversale alla corsia, conteremo il numero di autoveicoli che la oltrepassano in un certo intervallo di tempo. Con lo stesso metodo possiamo misurare l'intensità della corrente elettrica, che consiste nello spostamento di elettroni liberi all'interno di un circuito. Come la quantità d'acqua che nell unità di tempo attraversa una sezione di un tubo si chiama «portata» e si misura in metricubi (m3), e la portata d acqua aumenta in relazione alla sezione del tubo e al dislivello ai capi del tubo, cosi la quantità di elettroni che nello stesso tempo attraversa una sezione di un conduttore si definisce intensità della corrente elettrica se la quantità di corrente si esprime in coulomb ed il tempo in secondi. Intensità di corrente elettrica = quantità di elettricità/tempo L unità di misura della intensità di corrente elettrica è l ampere (simbolo A), dal nome del fisico francese André Marie Ampère ( ) e si misura con gli amperometri e, per piccole intensità, con i galvanometri. La resistenza elettrica Abbiamo visto che la corrente scorre per effetto di una forza detta forza elettromotrice o tensione; c'e' però qualcosa che contrasta di più o di meno questa forza e tende a frenare lo scorrere degli elettroni: questa forza frenante, che dipende dalla natura del materiale attraversato, viene detta resistenza elettrica. E' bene adesso spendere qualche parola sulla lampadina: come mai alcune lampade fanno tanta luce ed altre ne fanno molto poca, pur essendo tutte ugualmente collegate alla stessa presa dove, abbiamo visto, ci sono 220 volt? La spiegazione risiede nella quantità di corrente che passa nella lampadina. Quelle che fanno poca luce vengono attraversate da poca corrente; quelle che fanno molta luce vengono attraversate da una corrente più forte. Maggiore e' questa resistenza e minore e' la corrente che riesce a passare (abbiamo visto che in certi materiali, detti isolanti, la corrente non passa per niente). Le lampadine che fanno più luce sono costruite in modo tale che il loro filamento, cioè quel filo che si scalda e diventa incandescente, abbia una resistenza bassa e possa quindi far passare più corrente. Questo risultato si può ottenere in vari modi:

3 _ si può usare un materiale che per sua natura abbia una minore resistenza elettrica e quindi presenti una maggior attitudine ad essere attraversato dalla corrente _ scelto un certo materiale, si può usare un filo più grosso: più e' grosso il filo, maggiore e' la corrente che riesce a passare _ si può fare in modo che la lunghezza del filo sia minore: più corto e' il filo, più corrente passa.

4 Due conduttori fatti con lo stesso materiale, ma di lunghezza diversa, offrono una diversa resistenza: il più corto avrà una resistenza minore del più lungo e quindi la lampadina collegata avrà una maggiore luminosità. Ritornando sempre al circuito idraulico esemplificativo, l'acqua che scorre nel tubo é frenata dall'attrito con le pareti e tale ostacolo é tanto maggiore quanto minore é il diametro del tubo stesso e quanto più lungo é esso. Anche il flusso di elettroni che attraversa un conduttore incontra un simile impedimento, che é detto resistenza elettrica, e la cui intensità dipende dalla sezione e dalla lunghezza del conduttore e dal materiale di cui esso é costituito. In particolare la resistenza, la cui unità di misura é l'ohm (simbolo O), é tanto maggiore quanto più lungo é il conduttore e quanto minore é la sua sezione. Inoltre alcuni materiali, detti conduttori, oppongono un piccolo ostacolo al flusso degli elettroni mentre altri, detti isolanti, ne impediscono quasi del tutto il movimento. Tra ohm, ampere e volt esiste poi una relazione, detta Prima legge di Ohm (fisico tedesco), in base alla quale «la differenza di potenziale (V), agli estremi di un conduttore percorso dalla corrente elettrica, é proporzionale all intensità di corrente (I) ed alla resistenza (R)». Tale legge é espressa dalle formule: Il passaggio degli elettroni attraverso un conduttore di un circuito trova sempre un ostacolo, una resistenza al loro movimento. La resistenza elettrica è la difficoltà maggiore o minore che un conduttore oppone al passaggio della corrente elettrica. L unità di misura della resistenza elettrica è l ohm (O), che equivale alla resistenza di un conduttore al passaggio di 1 ampère (A) di corrente ed abbia agli estremi la tensione di 1 volt (V). Riepilogando possiamo dire che: Un materiale può essere attraversato da corrente se e' conduttore. La corrente che passa in un materiale dipende da due fattori: 1- dalla forza elettromotrice, o tensione, applicata 2- dalla resistenza del materiale Con riferimento ad un conduttore di determinate dimensioni, se indichiamo con V la tensione applicata, con I la corrente che attr aversa il conduttore e con R la sua

5 resistenza, possiamo esprimere matematicamente la relazione che esiste fra le tre grandezze. In pratica questo vuol dire che conoscendo il valore di due delle tre grandezze in gioco, e' possibile calcolare la terza. Esercizio: se ho un utilizzatore la cui resistenza R e' di 44 ohm e lo collego ad una tensione V di 220 volt, posso dire subito che nel mio utilizzatore passerà una corrente di 5 ampere, perché? 220/44 dà come risultato 5. Una lampadina ha resistenza di 6 ohm. Qual è la differenza di potenziale da applicare perché l intensità della corrente assorbita dalla lampadina sia di 2 ampére? Qual è l intensità di corrente necessaria per far funzionare una stufa elettrica, se la sua resistenza è di 40 ohm e la differenza di potenziale di 220 volt? Qual è la resistenza di un filo conduttore attraversato da una corrente elettrica di intensità pari a 0,1A, se tra i suoi estremi vi è una differenza di potenziale di 2,5 V? Quale differenza di potenziale è presente agli estremi di un conduttore avente la resistenza di 15 ohm, se l intensità di corrente è di 8 ampére? La potenza elettrica e l energia elettrica La potenza é il prodotto dell intensità di corrente, misurata in ampere, per la tensione, misurata in volt. La potenza è una grandezza che misura il lavoro che una macchina (o utilizzatore) compie in un'unità di tempo. Se la macchina funziona a elettricità la potenza sarà data dal prodotto della tensione per l'intensità. In formula: P = V x I (potenza = tensione x intensità) La potenza si misura in watt (simbolo W) W sono 1 KW (Kilowatt) W sono 1 MW (Megawatt). Se si tiene acceso per un'ora un utilizzatore che consuma 1 KW noi consumiamo un KWh cioè un Kilowattora. L unità di misura della potenza elettrica é il watt (simbolo W) e suoi multipli sono il chilowatt (simbolo kw), pari a watt, ed il megawatt (simbolo MW), pari a di watt. Il prodotto della potenza elettrica (watt) per il tempo (ore) è l energia elettrica consumata e la misura di 1 chilowattora (simbolo kwh) corrisponde all energia consumata in un'ora da un apparecchio elettrico della potenza di watt. Ad esempio una lampadina da 100 W consuma: 100 wattora (cioè 0,1kWh) se funziona per 1 ora; 10 wattora (cioè 0,01kWh) se funziona per 6 minuti, ovvero 1/10 di 1 ora; 300 wattora (cioè 0,3kWh) se funziona per 3 ore.

6 Per chiarire meglio quanto affermato, consideriamo le due lampadine a lato: quella a sinistra è una lampadina per fari di automobili, ed è progettata per funzionare con la batteria da 12 volt; quella di destra è una comune lampada per l'illuminazione casalinga a 220 V. Pur essendo diverse nella forma e nella tensione di funzionamento, le due lampade sono progettate per assorbire la stessa potenza di 40 W; infatti, la prima, collegata alla batteria dell'auto, assorbe una corrente di 3,3A mentre la seconda, collegata alla presa da 220V, assorbe una corrente di 0,18A. Esercizio. Calcoliamo la potenza nei due casi: per la lampada da auto abbiamo P = 12 x 3,3 = 39,6 watt; per la lampada di tipo domestico abbiamo P = 220 x 0,18 = 39,6 watt. Come si vede, a parità di potenza, più bassa è la tensione di funzionamento più alta è la corrente assorbita. LA SECONDA LEGGE DI OHM Oltre che dal materiale la R dipende dalla sezione e dalla lunghezza del conduttore sezione. tuito La seconda legge di Ohm afferma che la resistenza di un conduttore è direttamente proporzionale alla sua lunghezza e inversamente proporzionale alla sua sezione Possiamo riassumere le precedenti considerazioni in un unica formula:

7 s è la sezione l è la lunghezza che lo attraversa R è la sua resistenza elettrica þ (leggi ro, lettera dell alfabeto greco) è un coefficiente che dipende dal materiale, detto resistività. La resistività è minore nel rame e maggiore per il ferro I pericoli dell elettricità Gli effetti di una scossa elettrica sull organismo umani dipendono il gran parte dall intensità della corrente elettrica che lo attraversa, cioè dalla quantità di cariche, e dalla durata della scossa. L espressione rimanere attaccati alla corrente deriva dal fatto che la corrente elettrica agisce sui centri nervosi e sulla muscolatura con effetti di paralisi temporanea. Nei casi più gravi si può arrivare alla paralisi del cuore e del diaframma con conseguenze arresto del battito cardiaco e della respirazione. In oltre l effetto termico della corrente si manifesta producendo ustioni si esterne che interne. Con 10 ma si subisce una scossa abbastanza robusta, 30 ma sono già pericolosissimi per il nostro organismo e 40 ma poso portare alla morte. Conoscendo la resistenza del nostro corpo possiamo calcolare quali tensioni cominciano a essere pericolose e quali rischi corriamo con la tensione di 220V,che è quella normalmente utilizzata negli impianti domestici. Grandezza Unità di misura Simbolo Strumento di misura Tensione Volt V Voltometro Intensità Ampere A Amperometro Resistenza Ohm Ω Ohmetro Potenza Watt W Wattometro Assorbimento Kilowattora kwh Contatore La quantità di corrente elettrica che attraversa un filo conduttore può variare, per questo si parla di intensità della corrente elettrica. L' intensità della corrente è identificata dalla lettera i. Essa è il rapporto fra la carica elettrica Q, che passa in una sezione del conduttore, e il tempot impiegato. La sua unità di misura è l Ampere ( A ) ed è possibile quantificarla grazie ad uno strumento denominato Amperometro.

8 Gli effetti della corrente Quando circola in un circuito, la corrente elettrica produce tre differenti effetti: Effetto termico o effetto Joule Come detto, la resistenza è una forma di attrito, quindi, al passaggio della corrente, il conduttore si riscalda. Secondo la legge di Joule, il calore ( P ) prodotto è direttamente proporzionale alla resistenza e al quadrato dell intensità della corrente. Questo effetto è utilizzato quasi dovunque: nei ferri da stiro, nelle stufe, nelle lavatrici, nelle lavastoviglie Un particolare utilizzo di questo effetto è prodotto dalle lampadine. Se ne osserviamo una, possiamo facilmente notare che, all interno della sua ampolla, vi è un sottile filamento conduttore di tungsteno, il quale sarà attraversato da una corrente elettrica che lo farà riscaldare, senza farlo bruciare, perchè l ampolla è vuota o piena di gas inerte. La temperatura raggiunta dal tungsteno è talmente elevata che il materiale emetterà luce. Effetto chimico L effetto chimico della corrente è sfruttato dal fenomeno dell elettrolisi. Se immergiamo due lamine di metallo collegate ad un generatore e ad un utilizzatore all interno di una bacinella d acqua distillata, ci accorgiamo che la lampadina non si accende. Per favorire il passaggio della corrente è sufficiente aggiungere del comunissimo cloruro di sodio NaCl (sale da cucina). Ciò avviene perchè l acqua distillata non favorisce il passaggio della corrente. Quando noi aggiungiamo il sale, NaCl, esso si discioglie nell acqua in forma di sodio (Na + ) e cloro (Cl ); il primo ione viene attratto dal catodo (la lamina collegata al polo negativo del generatore), mentre il secondo dall anodo (la lamina collegata al polo positivo del generatore). Durante questo spostamento, gli elettroni della corrente elettrica vengono trasportati dagli ioni : questa è la motivazione del passaggio di corrente in un liquido, solo in presenza di ioni positivi e negativi. L elettrolisi è utilizzata anche per ricoprire alcuni conduttori di un sottile strato di un altro metallo: l oggetto da rivestire viene immerso nel liquido e collegato al catodo, mentre all anodo viene collegata una lastra del metallo ricoprente. Al passaggio della corrente, gli ioni metallici con carica positiva si muovono verso il catodo, ricoprendo l oggetto di un sottile strato del secondo metallo ( galvanostegia ). Effetto magnetico Il passaggio di corrente elettrica lungo un conduttore crea un campo magnetico ( elettromagnetismo ). È stato i fisico danese Oersted a scoprire questo fenomeno: egli notò che l ago di una bussola mutava drasticamente la sua direzione quando si trovava vicino ad un conduttore nel quale passava della corrente elettrica. Il fenomeno inverso, invece, fu scoperto da Faraday, il quale capì che sia il movimento di una calamita all interno di un solenoide, cioè, un conduttore isolato sotto forma di spirale, sia lo spostamento di un circuito elettrico privo di un generatore in un campo magnetico, inducevano la corrente nel filo conduttore ( induzione elettromagnetica ). Quest ultimo fenomeno viene sfruttato soprattutto per produrre energia elettrica, come nel caso

9 della dinamo : la ruota della bicicletta fa girare un asse sul quale vi è una calamita che, girando, induce la corrente elettrica nel solenoide avvolto intorno ad essa; da qui la corrente viaggia fino all utilizzatore, una semplice lampadina. Il processo inverso della dinamo invece, è riscontrabile nel motore elettrico : il motore trasforma l energia elettrica in meccanica, sfruttando sempre alcuni fenomeni magnetici