La corrente elettrica

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1 PROGRAMMA OPERATIVO NAZIONALE Fondo Sociale Europeo "Competenze per lo Sviluppo" Obiettivo C-Azione C1: Dall esperienza alla legge: la Fisica in Laboratorio La corrente elettrica

2 Sommario 1) Corrente elettrica 2) Leggi di Ohm 3) Resistenza e resistività 4) Effetto termico della corrente 5) Resistenze in serie e in parallelo 6) Leggi di Kirchoff 7) Circuiti RC 8) Effetto termoionico e fotoelettrico 9) Effetto Volta 10) Effetto Seebeck 11) Elettrolisi 12) Corrente nei gas

3 Corrente elettrica Finora abbiamo considerato le cariche elettriche fisse La carica in moto forma una corrente elettrica i: i = ΔQ Δt Ampère = C/s intensità di corrente = quantità di carica intervallo di tempo La direzione della corrente è definita come la direzione in cui si muovono le particelle cariche positivamente Moto reale: elettroni che si muovono in verso opposto. Corrente continua intensità costante

4 Moto delle cariche elettriche Normalmente la materia è elettricamente neutra: le cariche + (protoni) e (elettroni) stanno legate dall attrazione negli atomi A S S E +q B i Se c è campo elettrico, si induce una separazione tra cariche + e Se gli elettroni sono liberi di muoversi nella struttura atomica/molecolare (es. metalli), si crea una corrente elettrica. Condizione necessaria al moto di cariche: Differenza di Potenziale Analogia con i fluidi: differenza di pressione i(t) costante (moto stazionario) corrente continua i(t) variabile (periodica) corrente alternata

5 Leggi di Ohm A S l E +q V A V B B i R R = resistenza elettrica del conduttore 1 a Legge: V = V A V B = i R 2 a Legge: R = ρ l S La corrente elettrica in un circuito e direttamente proporzionale alla differenza di potenziale applicata ai capi del circuito La resistenza a tale moto dipende dal materiale, dalla geometria (lunghezza e sezione), dalla temperatura

6 Resistenza e resistività

7 Effetto termico della corrente Effetto Joule: gli elettroni in moto (corrente) cedono energia cinetica agli ioni del reticolo molecolare del conduttore. La perdita di energia cinetica diventa calore. Potenza dissipata: V W = L q V = = i V = i 2 R = 2 t t R Watt = Volt Ampere produzione di calore 1 caloria = 4.18 joule Q(cal) = L= 1 W t = 1 i 2 R t = = V2 R t i V t =

8 Circuiti elettrici resistenze in serie A i R 1 R 2 i B R =R 1 + R 2 V 1 V 2 resistenze in parallelo i A i 1 B 1 = R R 1 R 2 i 2 R 2

9 Leggi di Kirchoff I Nodo: giunzione di ALMENO tre rami di un circuito Le correnti che entrano e escono dai nodi del circuito sono note come correnti di ramo. Si assegna corrente ad ogni ramo del circuito (bad: i 1 ; bd: i 3 ; bcd: i 2 )

10 Leggi di Kirchoff II Maglia: percorso CHIUSO lungo un circuito elettrico Si sceglie un verso arbitrario di percorrenza della maglia Passando attraverso la resistenza il potenziale diminuisce perché la si attraversa a partire dal potenziale più alto, la variazione è ir. Se si attraversa il generatore dal polo a + la variazione di potenziale è +ε. 1 a legge di Kirchoff

11 Circuiti non stazionari Fin qui abbiamo trattato correnti costanti, cioè circuiti in condizioni stazionarie Consideriamo adesso dei semplici circuiti in cui la corrente varia nel tempo Ad esempio consideriamo la Carica e Scarica di una Capacità Durante il processo di carica viene immagazzinata nel condensatore energia che viene poi dissipata all interno della resistenza, sotto forma di calore, durante il processo di scarica.

12 Circuiti RC il condensatore è inizialmente scarico per t<0 l interruttore S è aperto, non circola corrente per t>0 chiudiamo S, circola una corrente I: il campo elettrico della batteria spinge gli elettroni verso l armatura superiore di C e li rimuove da quella inferiore non vi è passaggio di corrente tra le armature di C!!! il valore max di carica dipende dalla f.e.m. quando viene raggiunto non circola più corrente

13 Circuiti RC a I I a I I ε b R C ε b R C Cε Cε q q=cε(1-e -t/rc ) q q=cεe -t/rc 0 t t Durante il processo di carica viene immagazzinata nel condensatore energia che viene poi dissipata all interno della resistenza, sotto forma di calore, durante il processo di scarica. 0

14 Effetto termoionico e fotoelettrico Effetto termoionico Emissione indotta termicamente di particelle cariche (elettroni o ioni) da parte di un metallo riscaldato ad alta temperatura. L'emissione degli elettroni avviene come conseguenza dell'aumento della loro energia cinetica che permette loro di vincere la forza che li trattiene vincolati agli atomi del materiale. Effetto fotoelettrico Rappresenta l'emissione di elettroni da una superficie, solitamente metallica, quando questa viene colpita da una radiazione elettromagnetica avente una certa frequenza

15 Effetto Volta N.B. Effetto Volta È il fenomeno nel quale, quando due metalli diversi sono a contatto, alle loro estremità si stabilisce una differenza di potenziale. 1) La differenza di potenziale, espressa in Volt, che si stabilisce per contatto tra due metalli è numericamente uguale alla differenza, cambiata di segno, fra i lavori di estrazione dei due metalli considerati, espressa in elettronvolt; 2) La differenza di potenziale esistente tra i due metalli estremi di una successione di contatti metallici è uguale a quella che si avrebbe se i due metalli fossero a contatto diretto La differenza tra i lavori di estrazione dei due metalli deve essere cambiata di segno perché il metallo con il lavoro di estrazione minore si carica positivamente, quindi ha il potenziale maggiore.

16 Effetto Seebeck Effetto Seebeck È il fenomeno che consiste nel passaggio di corrente in un circuito chiuso formato da due metalli diversi saldati tra loro quando le due saldature sono mantenute a temperature diverse Su questo principio si basa il funzionamento delle termocoppie che permettono di valutare la temperatura da una misura di tensione

17 Elettrolisi

18 Corrente nei gas Un gas è un isolante perfetto; se però qualche causa esterna produce la ionizzazione di alcune sue molecole, esso diventa conduttore. Se il gas è a pressione atmosferica, una differenza di potenziale di decine di migliaia di Volt fa scoccare la scintilla, dovuta ad una produzione a valanga di ioni. A pressioni molto minori, la scintilla diventa silenziosa e si ha la cosiddetta scarica a bagliore. Raggi catodici: sono elettroni emessi dal catodo in un tubo a vuoto, ai cui elettrodi è applicata una forte differenza di potenziale. Essendo particelle cariche, gli elettroni veloci dei raggi catodici sono soggetti a forze elettriche e magnetiche.