ELETTRICITÀ CORRENTE CONTINUA LEZIONE N. 29

ELETTRICITÀ CORRENTE CONTINUA LEZIONE N. 29

ELETTRICITÀ CORRENTE CONTINUA LA CONDUZIONE ELETTRICA NEI: Solidi (conduttori) Soluzioni Gas Carica Elementare

ELETTRICITÀ CORRENTE CONTINUA (LA CONDUZIONE ELETTRICA NEI METALLI) Nei metalli gli atomi sono talmente vicini che qualche elettrone esterno viene a trovarsi nel campo elettrico dell atomo più vicino. Per questo motivo qualche elettrone esterno per atomo diventa libero di muoversi da un atomo all altro. Tutti gli esperimenti di elettrostatica sui metalli si interpretano con il movimento degli elettroni liberi (elettroni di conduzione)

ELETTRICITÀ CORRENTE CONTINUA (LA CONDUZIONE ELETTRICA NEI METALLI) Intensità Di Corrente Elettrica Gli elettroni di conduzione, per effetto del moto di agitazione termica, hanno una velocità media v t 10 6 [ m / s ] Se agli estremi di un conduttore si applica dall esterno una d.d.p. allora il campo elettrico non è più nullo e su ciascun elettrone agisce una forza diretta in verso opposto al campo per cui la velocità V d è inferiore V t v d E v d v d V»10 d 2 cm << Vt s

ELETTRICITÀ CORRENTE CONTINUA (LA CONDUZIONE ELETTRICA NEI METALLI) Intensità Di Corrente Elettrica Si definisce corrente elettrica qualsiasi movimento ordinato di cariche elettriche

ELETTRICITÀ CORRENTE CONTINUA (LA CONDUZIONE ELETTRICA NEI METALLI) Intensità Di Corrente Elettrica Si definisce intensità di corrente elettrica la quantità di carica elettrica che attraversa una sezione qualsiasi del conduttore nell unità di tempo. I q = t

ELETTRICITÀ CORRENTE CONTINUA (LA CONDUZIONE ELETTRICA NEI METALLI) Intensità Di Corrente Elettrica Un conduttore è attraversato dalla corrente di un Ampere quando una sua sezione qualsiasi è attraversata dalla carica di un Coulomb in ogni secondo 1 Coulomb 1 Ampere = 1 secondo

ELETTRICITÀ CORRENTE CONTINUA (SIMBOLI GRAFICI) Alcuni componenti dei circuiti elettrici

ELETTRICITÀ CORRENTE CONTINUA (RESISTENZA ELETTRICA) Resistenza elettrica La resistenza elettrica (R) è una grandezza fisica scalare che misura la tendenza di un conduttore ad opporsi al passaggio di una corrente elettrica, quando sottoposto ad una tensione. Prima legge Di Ohm Sperimentalmente è possibile ricavare una legge che lega la d.d.p. ai capi di un filo conduttore con la corrente che lo attraversa. A Amperometro Generatore di tensione Conduttore (Resistenza) V Voltometro

ELETTRICITÀ CORRENTE CONTINUA (PRIMA LEGGE DI OHM) Prima legge Di Ohm Per determinare legge che lega la d.d.p. ai capi di un filo conduttore con la corrente che lo attraversa si monta un circuito. A Amperometro Generatore di tensione variabile Conduttore (Resistenza) V Voltometro Facendo variare la d.d.p. per ogni valore applicato corrisponderà un valore della corrente che attraversa il circuito La resistenza).

ELETTRICITÀ CORRENTE CONTINUA (PRIMA LEGGE DI OHM) Prima legge Di Ohm Dai dati sperimentali si può dedurre che il rapporto tra d.d.p. applicata e intensità di corrente che circola attraverso la resistenza è costante ed è pari al valore della resistenza ossia: V = I R Questa equazione rappresenta la Prima legge di Ohm: R esprime una proprietà intrinseca del conduttore nelle condizioni considerate. L unità di misura della resistenza elettrica si ricava dalla prima legge di Ohm ed è: Ohm = Volt Ampere Un resistore ha resistenza di1 Ohm quando una d.d.p. ai suoi capi pari ad 1 Volt genera una corrente di intensità pari ad 1 Ampere. 1 Ω = 1V 1A

ELETTRICITÀ CORRENTE CONTINUA (PRIMA LEGGE DI OHM) Seconda legge Di Ohm Dai dati sperimentali si può dedurre che il rapporto tra d.d.p. applicata e intensità di corrente che circola attraverso la resistenza è costante ed è pari al valore della resistenza ossia: 2 a legge di Ohm: R = l ρ S ρ è una costante di proporzionalità detta resistività, dipendente dalla natura fisica del conduttore Per i metalli si trova che ρ aumenta con la temperatura secondo una legge lineare: ρ = ρ20 (1 α

Trasporto nei metalli: un modello più corretto FILO FREDDO FILO CALDO

Un comune misconcetto. l urto non è contro gli ioni del reticolo, perché la funzione d onda di Bloch tiene già conto del potenziale periodico gli urti possibili sono con ciò che non è periodico: urti con le impurità urti con i fononi (vibrazioni reticolari) FILO FREDDO FILO CALDO

I metalli conducono perché Gli ioni sono liberi di muoversi e prendono parte alla conduzione V F V F Contengono elettroni V F V F Gli elettroni sono liberi di muoversi e prendono parte alla conduzione Gli elettroni sono in continuo movimento intorno ai nuclei atomici e danno alle molecole alta conducibilità V F V F V F V F

Leggi Di Ohm e Resistenza Elettrica Dalla 2 a legge di Ohm si ricava: ρ = R S l ohm m m 2 = ohm m Argento Rame Nichel Mercurio Germanio Selenio Ossido Di Rame Boro 10 6 10 10 4 10 7 10 13 10 16 10 8 10 2 10 10 Conduttori Semiconduttori Isolanti Celluloide Mica Vetro Quarzo Porcellana Ambra Paraffina

LA CONDUZIONE ELETTRICA I Meccanismi Della Conduzione, Soluzioni, Gas, Carica Elementare Per eventuali approfondimenti o chiarimenti contattare la Prof.ssa Laura Farci lfarci@tiscali.it

Conduttori Elettrolitici Voltametro Acqua distillata Zucchero Sale La soluzione acquasale è conduttrice NaCl, CuSO 4, HCl, H 2 SO 4, NaOH Elettrodi metallici Anodo Catodo Fisica OnLine La Conduzione Elettrica I Meccanismi Della Conduzione 18 di 26

Conduttori Elettrolitici I sali, gli acidi e le basi si chiamano elettroliti e le loro soluzioni in acqua soluzioni elettrolitiche L acqua comune contiene molti sali disciolti e per questo è molto conduttrice Faraday (1833) Fisica OnLine La Conduzione Elettrica I Meccanismi Della Conduzione 19 di 26

L elettrolisi E Le Leggi Di Faraday Il moto degli ioni in un voltametro in cui sono immersi due elettrodi metallici collegati a una batteria è detto elettrolisi Quando gli ioni arrivano sugli elettrodi cedono a questi la loro carica diventando neutri e reagendo chimicamente Fisica OnLine La Conduzione Elettrica I Meccanismi Della Conduzione H Cl Cl Cl Cl Cl H Cl 20 di 26

L elettrolisi E Le Leggi Di Faraday Faraday misurò quantitativamente le sostanze che nell elettrolisi si sviluppano o si depositano negli elettrodi 1 a Legge di Faraday: La massa di sostanza che si deposita a un elettrodo è direttamente proporzionale alla quantità di carica elettrica che passa nel voltametro Fisica OnLine La Conduzione Elettrica I Meccanismi Della Conduzione 21 di 26

L elettrolisi E Le Leggi Di Faraday 2 a Legge di Faraday: In più voltametri contenti elettroliti diversi e connessi in serie in modo che siano attraversati dalla stessa quantità di carica elettrica, le masse delle sostanze che si depositano agli elettrodi sono direttamente proporzionali agli equivalenti chimici Equivalente chimico = M/Z (H 1.008) Grammoequivalente = M/Z g (H 1.008 g) Fisica OnLine La Conduzione Elettrica I Meccanismi Della Conduzione 22 di 26

L elettrolisi E Le Leggi Di Faraday Le masse di Cl, H, Cu e Ag che si depositano agli elettrodi stanno fra loro come i numeri 35.457 : 1.008 : 31.77 : 107.88 35.457 Cl : = 35.457 1 63.54 Cu : = 31.77 2 A 1.008 H : = 1.008 1 107.88 Ag : = 107.88 1 Fisica OnLine HCl CuSO 4 AgNO 3 La Conduzione Elettrica I Meccanismi Della Conduzione 23 di 26

L elettrolisi E Le Leggi Di Faraday È possibile ricavare una formula che compendia entrambe le leggi M q = = m= nm nze M q = m Ze A N M = A Z q Ne Con questa formula è possibile calcolare la massa M di una sostanza che si deposita su un elettrodo per elettrolisi Fisica OnLine La Conduzione Elettrica I Meccanismi Della Conduzione 24 di 26

Ioni E Carica Elettrica Elementare Atomo: Nucleo: Elettroni: nucleo elettroni carica elettrica positiva carica elettrica negativa La carica elettrica non può assumere valori qualunque ma solo multipli interi relativi di una carica unitaria La carica unitaria è quella dell elettrone Fisica OnLine La Conduzione Elettrica I Meccanismi Della Conduzione 25 di 26

Ioni E Carica Elettrica Elementare Se Z è il numero degli elettroni in un atomo allora la loro carica complessiva è: Ze Siccome la carica dell atomo è nulla allora la carica del nucleo è: Ze Quando un atomo perde un elettrone o ne acquista uno in più la sua carica complessiva non è più nulla e prende il nome di ione Fisica OnLine La Conduzione Elettrica I Meccanismi Della Conduzione 26 di 26

La Conduzione Elettrolitica E La Legge Di Ohm La conduzione elettrolitica dipende dalla quantità di elettrolita disciolto, dalla superficie degli elettrodi immersi e dalla loro distanza In particolare è maggiore con l aumentare della superficie degli elettrodi immersi ed è minore con l aumentare della loro distanza Fisica OnLine La Conduzione Elettrica I Meccanismi Della Conduzione 27 di 26

La Conduzione Elettrolitica E La Legge Di Ohm Gli esperimenti dimostrano che la conduzione elettrolitica segue la legge di Ohm come nei conduttori metallici a patto che gli elettrodi siano dello stesso tipo e che le condizioni siano tali per cui il passaggio di corrente non alteri la costituzione chimica Fisica OnLine La Conduzione Elettrica I Meccanismi Della Conduzione 28 di 26

La Pila Oggi il termine pila indica un generatore di f.e.m. costante trae origine dalla disposizione a pila del generatore scoperto da Volta Esso è costituito da coppie di dischi di Cu e Zn alternati da una pezzuola imbevuta di una soluzione elettrolitica Fisica OnLine La Conduzione Elettrica I Meccanismi Della Conduzione 29 di 26

La Pila A I Cu Cu Elemento voltaico Zn H 2 SO 4 La d.d.p. tra Cu e Zn a circuito aperto è detta f.e.m. della pila Essa è data dalla somma delle d.d.p. che si hanno ai contatti ZnCu, Znsoluzione e soluzionecu Fisica OnLine La Conduzione Elettrica I Meccanismi Della Conduzione 30 di 26

L Effetto Termoelettrico Consideriamo due giunzioni FeCu mantenute a due temperature diverse t 1 e t 2 Inserendo un amperometro nella catena questo rivela il passaggio di corrente La corrente attraversa la giunzione a t temperatura 1 maggiore nel nel verso che va dal rame al Fe ferro Cu Fisica OnLine La Conduzione Elettrica I Meccanismi Della Conduzione t 2 31 di 26

L Effetto Termoelettrico Effetto Seeback: t = 100 C V = 0. 86mV Le d.d.p. che producono le due giunzioni non sono uguali poiché i potenziali di estrazione dipendono dalla temperatura Gli elettroni che attraversano la giunzione a temperatura maggiore ricevono un energia sufficiente per compensare la perdita dovuta all effetto Joule Fisica OnLine La Conduzione Elettrica I Meccanismi Della Conduzione 32 di 26

L esperimento Di Millikan 1910: misura della carica del singolo elettrone Fisica OnLine La Conduzione Elettrica I Meccanismi Della Conduzione 33 di 26

L esperimento Di Millikan E = 0 Fa = bv Per la seconda legge di Newton: P Fa = ma Proiettando sugli assi: P All aumentare di a aumenta anche F F = a ma a A un certo punto: Fa = P P Fa = 0 Da quel momento il moto è rettilineo uniforme con velocità v 0 e, dalla relazione che definisce la forza di attrito, si può ricavare b : Fisica OnLine P = mg La Conduzione Elettrica I Meccanismi Della Conduzione mg bv b = 0 = 0 mg v 0 34 di 26

L esperimento Di Millikan Collegando adesso le due lastre piane a un generatore, alle precedenti si aggiunge una nuova forza: F = qe P Fa qe = ma All inizio, quando il moto è uniformemente accelerato: P Fa qe = ma Quando poi il moto diventa rettilineo uniforme: mg bve qe = 0 La carica dell elettrone è quindi data da:questo mg ve Fisica OnLine q = bv E mg E = v 0 v E E mg = mg La Conduzione Elettrica I Meccanismi Della Conduzione v 0 1 = E mg E v E v v 0 0 35 di 26

Metalli, Isolanti e Semiconduttori Nei metalli la conduzione è data dagli elettroni liberi, in media uno per ogni atomo (10 22 elettroni per cm 3 ) Negli isolanti nessun atomo è ionizzato in condizioni normali; solo l applicazione di un campo elettrico molto intenso può produrre qualche elettrone di conduzione ionizzando un ugual numero di atomi Fisica OnLine La Conduzione Elettrica I Meccanismi Della Conduzione 36 di 26

Metalli, Isolanti e Semiconduttori La conducibilità nei metalli è dovuta in gran parte al moto ordinato (per effetto di un campo elettrico esterno) degli elettroni di conduzione ostacolati delle vibrazioni degli ioni del reticolo cristallino Fisica OnLine La Conduzione Elettrica I Meccanismi Della Conduzione 37 di 26

Metalli, Isolanti e Semiconduttori I semiconduttori hanno un comportamento intermedio A basse temperature la conducibilità è bassa come per gli isolanti A temperatura ambiente si hanno 10 11 elettroni di conduzione per cm 3 I semiconduttori per eccellenza sono il Silicio e il Germanio Fisica OnLine La Conduzione Elettrica I Meccanismi Della Conduzione 38 di 26

Metalli, Isolanti e Semiconduttori Nei semiconduttori la conduzione è dovuta non solo agli elettroni di conduzione ma anche al movimento di cariche elettriche positive E Fisica OnLine La Conduzione Elettrica I Meccanismi Della Conduzione 39 di 26

La Scarica Nei Gas A Pressione Normale In condizioni normali un gas è neutro e quindi non può condurre l elettricità, comportandosi da isolante perfetto L aria atmosferica però conduce l elettricità, anche se debolmente Nell aria ci sono particelle cariche il cui numero aumenta in presenza di particolari agenti detti agenti ionizzanti Fisica OnLine La Conduzione Elettrica I Meccanismi Della Conduzione 40 di 26

La Scarica Nei Gas A Pressione Normale Se tra le le due due piastre l aria l aria è secca è non si secca osserva non passaggio si osserva di passaggio corrente Se ionizziamo l aria irraggiandola con raggi X lo strumento segnala il passaggio di corrente i i S A B N i= Ne = nsh i s = nshe A V Fisica OnLine v S vla Conduzione Elettrica I Meccanismi i Della Conduzione v 41 di 26

Fisica OnLine La Scarica Nei Gas Rarefatti La d.d.p. è è di di qualche qualche migliaio di volt A migliaio pressione di volt atmosferica (760 torr) si A hanno solo pressione scariche rumorose con atmosferica piccole correnti (760 torr) si A 50 torr scariche più frequenti e silenziose A 10 torr avviene una V scarica con una sola colonna violacea La Conduzione Elettrica I Meccanismi Della Conduzione Tubo di estrazione dell aria 42 di 26

Trasporto calore e corrente Cassetta di Ingenhousz Esperienze con le bacchette di elettrostatica: Vetro Plastica Legno Metallo

Modello idrodinamico di circuito elettrico

La corrente elettrica è un flusso di elettroni attraverso un filo metallico vero falso La corrente elettrica è un QUALSIASI flusso di carica elettrica, tipicamente attraverso un filo metallico o qualche altro materiale conduttore. La corrente convenzionale venne definita inizialmente, nella storia dell'elettricità, come il flusso di carica positiva, anche se sappiamo, nel caso della conduzione metallica, che la corrente è causata dal flusso di elettroni con carica negativa nella direzione opposta.

L'intensità della corrente che fluisce attraverso un conduttore dipende dalla differenza di potenziale e dal materiale con cui è costruito il conduttore stesso. Per le sostanze dette ohmiche, al variare del potenziale applicato ai capi di un conduttore varia anche l intensità della corrente in modo tale che il rapporto V/I rimane costante, questo concetto rappresenta la Prima legge di Ohm: Dove: R è la resistenza del conduttore, V la differenza di potenziale nel circuito agli estremi della resistenza, I l'intensità di corrente, Nel SI l'unità di misura della resistenza è l'ohm (Ω) In un conduttore metallico il rapporto tra differenza di potenziale applicata ai suoi capi e l'intensità di corrente (a temperatura T costante) è costante. R = V / I oppure l'intensità di corrente che attraversa un conduttore metallico è direttamente proporzionale alla tensione applicata ai suoi capi e inversamente proporzionale alla resistenza del conduttore I = V / R Un ohm è la resistenza elettrica fra due punti di un conduttore, attraverso il quale passa una corrente di 1 ampere, quando gli viene applicata una differenza di potenziale di 1 volt 1 [Ω] = 1 [V] / 1 [A] Graficamente la relazione la relazione tra la differenza di potenziale V e la corrente I, per i materiali che seguono la legge di Ohm, è lineare (retta passante per l origine). Per i materiali non ohmici (per esempio i gas) R=V/I non è costante ma dipende dalla corrente I. Il grafico V=f(I) non ha un andamento lineare, perché R=f(I).

SECONDA LEGGE DI OHM La resistenza R di un conduttore è direttamente proporzionale alla sua lunghezza e inversamente proporzionale alla sua sezione. R = ρ l/a Dove: R resistenza elettrica del conduttore [Ω]; ρ resistenza specifica o resistività del materiale [Ω*m]; l lunghezza del conduttore [m]; A area della sezione del conduttore [m 2 ]; La resistenza specifica ρ, dipende dal materiale del conduttore e della temperatura di lavoro, ed è così definita: La resistività di un conduttore è la resistenza che un suo campione di lunghezza e sezione unitarie offre al passaggio della corrente. L inverso della resistività si chiama conducibilità. Resistività elettrica a temperatura ambiente (20 C) RESISTIVITÀ ρ [Ω*m] RESISTIVITÀ ρ [Ω*m] SOSTANZA SOSTANZA Metalli Semi conduttori Rame 1,72*10 8 Carbonio 3,57*10 5 Argento 1 63*10 8 Germanio 45,4 Alluminio 2,82*10 8 Silicio 6,25*10 4 Ferro 6,54*10 8 Tungsteno 5,50*10 8 Leghe Isolanti Manganina 4,40*10 7 Vetro 10 10 ~10 14 Costantana 4,90*l0 7 Mica 10 11 ~10 15 Nichelcromo 1*10 6 Paraffina 2,97*10 16 Quarzo 7,52*10 17

Tubo a raggi catodici La deviazione di un raggio catodico da parte di un campo elettrico e di un campo magnetico

ESPERIMENTO DI THOMSON Misura del rapporto carica/massa dell'elettrone: un fascio di raggi catodici attraversa un campo elettrico e un campo magnetico. L'esperimento è predisposto in modo che il campo elettrico devii il fascio in una direzione mentre il campo magnetico lo devia nella direzione opposta. Bilanciando gli effetti è possibile determinare il rapporto carica/massa dell'elettrone. e/m=1,7588 10 11 C/Kg

Quantizzazione della carica elettrica: esperimento di Millikan Gocce di olio cariche elettricamente vengono fatte cadere in presenza di un campo elettrico. Dalla massa nota delle goccioline e dal voltaggio applicato per mantenere ferme le gocce cariche si potè calcolare la carica presente sulle gocce. Fu trovato che tutte le cariche elettriche sono multiple di una carica elementare minima e assunta come carica dell'elettrone. e=1,602 10 19 C (coulomb)

Thomson aveva calcolato: e/m= 1,76 10 11 C/Kg da cui si dedusse: m= 9,11 10 31 Kg Un valore circa 1800 volte più piccolo della massa dell'idrogeno.

Dimensioni atomiche: circa 10 10 m = 1 Å = 0,1 nm Modello di Thomson L'esperimento di Rutherford

Dimensioni atomiche: circa 1 Å Dimensioni nucleari: circa 10 5 Å La maggior parte dell'atomo è vuoto Quasi tutta la massa atomica è quindi concentrata nel nucleo