APPUNTI DI TECNOLOGIA ELETTRICITA L atomo e l elettricità L elettricità La corrente elettrica Circuito Prima Legge di Ohm Seconda Legge di Ohm Le grandezze fondamentali Circuiti in serie e parallelo (utilizzatori) Circuiti in serie e parallelo (generatori) Tensione elettrica e corrente a casa nostra 01
L ATOMO E L ELETTRICITÀ Prendiamo una goccia di acqua e immaginiamo di suddividerla in piccolissime parti, fino a ottenere dei frammenti quasi invisibili a occhio nudo. Se potessimo dividere ciascun frammento in pezzettini sempre più piccoli, invisibili anche al più potente microscopio, arriveremmo alla molecola, cioè al minimo componente che possiede ancora le caratteristiche della sostanza di partenza (molecola di acqua). Se poi riuscissimo a suddividere anche la molecola in parti ancora più piccole, vedremmo che non esiste più nulla che ricordi l acqua, ma restano solo delle particelle elementari dette atomi. L acqua ad esempio è un insieme di atomi di idrogeno e atomi di ossigeno. 02
LA STRUTTURA DELL ATOMO Pensiamo al sistema solare, con il Sole che sta al centro e i pianeti che gli ruotano attorno. Ogni atomo assomiglia ad un sistema solare in miniatura. Nel centro c'è il nucleo, composto da protoni (particelle dotate di carica positiva +) e neutroni (particelle prive di carica) ben legati tra di loro. Molto lontano dal nucleo ruotano incessantemente gli elettroni (particelle dotate di carica negativa -), che descrivono orbite prestabilite. DOMANDA: Ma perché gli elettroni girano sempre attorno al loro nucleo, senza allontanarsi? 03
L ELETTRICITÀ RISPOSTA: Gli elettroni (dotati di carica -) non sfuggono alle loro orbite ellittiche a causa dell attrazione su di essi esercitata dai protoni (dotati di carica +), che essendo in numero pari a quello degli elettroni fanno sì che l atomo, in condizioni normali, sia in equilibrio elettrico. L elettricità quindi non è altro che la colla che tiene insieme l atomo e poiché tutta la materia esistente è composta di atomi tutti i corpi dell Universo possiedono elettricità. Tuttavia ogni atomo si presenta elettricamente neutro, poiché il numero dei protoni (+) è uguale al numero del elettroni (-). 04
L ELETTRICITÀ L elettricità statica è l elettricità concentrata sulla superficie dei corpi sottoposti a strofinio (ad esempio la cannuccia di plastica strofinata con il panno di lana). L elettricità dinamica è l elettricità che attraversa i corpi ed in particolare i conduttori elettrici (ad esempio il filo di rame usato negli impianti elettrici). 05
LA CORRENTE ELETTRICA Un atomo di rame è costituito da un nucleo contenente 29 protoni (carica +) e 29 neutroni (carica nulla), circondato da un guscio di 29 elettroni (carica -). Nel suo insieme l atomo è neutro. 28 elettroni sono stabili attorno al nucleo. 1 elettrone è invece libero 06
LA CORRENTE ELETTRICA Il filo di rame è formato dai nuclei degli atomi (pallini bianchi), ognuno dei quali va immaginato con il suo guscio di 28 elettroni + 1 elettrone libero. Per semplicità è disegnato il solo elettrone libero che si sposta in qua ed in là intorno ai vari nuclei di rame. In un filo di rame lungo 1 metro e di diametro 0,3 millimetri ci sono circa 500 milioni di miliardi di elettroni liberi! Ma in questa situazione non accade nulla, non c è corrente. 07
LA CORRENTE ELETTRICA Colleghiamo ora il filo di rame con un generatore di corrente (pila) e con un apparecchio utilizzatore (lampadina): in altre parole, adesso il filo è inserito in un circuito elettrico. L elettrone libero si muove a zig zag verso il morsetto positivo della pila, dal quale viene attratto. Dentro la pila c'è infatti uno squilibrio di cariche, con gli elettroni accumulati presso il morsetto negativo (-) e le cariche positive accumulate presso il morsetto positivo (+). Miliardi di elettroni liberi si muovono verso il morsetto positivo da cui vengono come «aspirati». Il loro posto viene occupato dagli elettroni che escono dal morsetto negativo, da cui vengono come «pompati». Si ha così un movimento circolare di elettroni liberi, cioè una corrente elettrica. 08
LA CORRENTE ELETTRICA La corrente elettrica è determinata da un movimento di cariche, tutte dello stesso segno, gli elettroni, che si muovono in modo ordinato, sempre nello stesso verso, attraverso un conduttore. Il movimento degli elettroni ha bisogno di un dislivello, la differenza di carica elettrica esistente alle due estremità del conduttore. Il flusso di carica elettrica è quello dall estremo del conduttore con eccesso di cariche negative, indicato come polo negativo (-), a quello con eccesso di cariche positive, detto polo positivo (+), Per convenzione tuttavia si é stabilito che esso sia opposto, cioè dal polo positivo a quello negativo. 09
CIRCUITO ELETTRICO Il circuito elettrico è un percorso chiuso in cui circola corrente elettrica, costituito dall insieme degli apparecchi elettrici e dei loro collegamenti, destinati ad essere attraversati dalla corrente. I componenti di un circuito elettrico sono: Generatore di corrente (pila, accumulatore, alternatore, dinamo). Fili conduttori, che collegano il generatore agli apparecchi utilizzatori e che trasportano la corrente elettrica. Apparecchi utilizzatori cioè gli apparecchi che trasformano la corrente in altra forma di energia (es. lampada, frullatore, ferro da stiro). Interruttori che interrompono oppure lasciano passare la corrente elettrica. Sono in genere una lamina di metallo posta ai due capi del circuito, che si solleva per interrompere il circuito, si abbassa per chiudere il circuito e far passare la corrente elettrica. 10
CIRCUITO ELETTRICO Il circuito elettrico viene rappresentato in modo semplificato con uno schema che fa uso di simboli convenzionali. Utilizzatore + - Generatore Conduttore Utilizzatore Interruttore Flusso degli elettroni - + Flusso convenzionale della corrente 11
GRANDEZZE FONDAMENTALI In un circuito elettrico sono presenti tre grandezze principali: Differenza di potenziale o Tensione elettrica V Intensità di corrente elettrica I Resistenza elettrica R Queste 3 grandezze sono legate tra loro. 12
DIFFERENZA DI POTENZIALE O TENSIONE ELETTRICA Il circuito elettrico funziona in modo analogo ad un circuito idraulico. La corrente elettrica, che consiste in un flusso di elettroni, scorre dentro il filo conduttore perché ai suoi capi A e B c'è un «dislivello elettrico», o per essere più precisi, una tensione elettrica. La dinamo che viene tenuta in rotazione (o la pila) 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 - al polo +. 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 si ha soltanto se tra le estremità del conduttore esiste quella che si definisce una differenza di potenziale elettrico o tensione, che non è altro che la forza che spinge gli elettroni. La tensione elettrica 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 (1745-1827). 13
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 nel flusso 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 metri cubi (m 3 ), così la quantità di elettroni che nello stesso tempo attraversa una sezione di un conduttore si definisce intensità di corrente elettrica. Intensità di corrente elettrica = (quantità cariche elettriche)/tempo L intensità di corrente elettrica si misura con gli amperometri e, per piccole intensità, con i galvanometri. L unità di misura della intensità di corrente elettrica è l ampere (simbolo A), dal nome del fisico francese André Marie Ampère (1775-1836). 14
RESISTENZA ELETTRICA La corrente scorre per effetto della forza elettromotrice o tensione; c è però qualcosa che contrasta di più o di meno questa forza e tende a frenare lo scorrere degli elettroni. Ritornando sempre al circuito idraulico esemplificativo, l acqua che scorre nel tubo è frenata dall attrito con le pareti e tale ostacolo è tanto maggiore quanto minore è il diametro del tubo stesso e quanto più lungo è esso. Anche il flusso di elettroni che attraversa un conduttore incontra un simile impedimento, che è detto resistenza elettrica. L unità di misura della resistenza elettrica è l ohm (simbolo Ω). 15
PRIMA LEGGE DI OHM Tra Tensione (V), Intensità di corrente (I) e Resistenza (R) esiste una relazione, detta Prima legge di Ohm (fisico tedesco). Secondo questa Legge,, è proporzionale all intensità di corrente (I) ed alla resistenza (R«la differenza di potenziale (V), agli estremi di un conduttore percorso dalla corrente elettrica)». Tale legge è espressa dalla formula: Tale legge può essere scritta in modo da indicare I se sono note V ed R: Oppure può essere scritta in modo da indicare R se sono note V ed I: 16
SECONDA LEGGE DI OHM La resistenza di un conduttore rappresenta la sua capacità di opporsi al passaggio della corrente e si misura in ohm (Ω). Questa grandezza dipende da 3 fattori: 1. Materiale di cui esso è costituito. Il rame, l'alluminio e l'argento, oppongono una resistenza molto piccola e sono utilizzati come fili conduttori. Invece il tungsteno, il materiale di cui è costituito il filamento delle lampadine e quello delle stufe elettriche, ha una resistenza molto grande. 2. Lunghezza del conduttore In una stufa elettrica gli elettroni incontrano meno ostacoli in un filo lungo 20 cm che in uno lungo 2 m. 3. Sezione del conduttore Più questa è grande, più ampio è il «tubo» attraverso il quale possono spostarsi gli elettroni liberi e quindi la resistenza è minore. 17
SECONDA LEGGE DI OHM In particolare la resistenza R è tanto maggiore quanto maggiore è la lunghezza del conduttore (l) e quanto minore è la sua sezione (S). Inoltre alcuni materiali, detti conduttori, oppongono un piccolo ostacolo al flusso degli elettroni mentre altri, detti isolanti, ne impediscono quasi del tutto il movimento. La resistenza R si calcola con una formula (detta Seconda Legge di Ohm): (espressa in Ω) Dove: l = lunghezza del conduttore (espressa in m) S = sezione del conduttore (espressa in m 2 ) ρ = resistività (espressa in Ωm) 18
SECONDA LEGGE DI OHM 19
POTENZA ELETTRICA Quando le cariche elettriche fluiscono in un circuito sotto l azione di una tensione elettrica, si libera energia (in un motore elettrico l energia diventa per grande parte energia meccanica, nella resistenza di un forno elettrico essa diventa energia termica). La grandezza che indica l energia liberata per unità di tempo è detta potenza e si misura in watt (W). Potenza (P), tensione (V) e intensità di corrente (I) sono legate dalla seguente formula: P = V x I Applicando la Prima Legge di Ohm la Potenza si può esprimere anche come: oppure: 20
CIRCUITI IN SERIE E IN PARALLELO (UTILIZZATORI) Gli utilizzatori di un circuito, per esempio le lampadine, possono essere collegati sia in serie (fig. A) che in parallelo (fig. B). Nel caso del collegamento in parallelo (B) le lampadine sono più luminose; infatti, ognuna fruisce di un uguale tensione. Nel collegamento in serie (A) lo stesso valore di tensione va invece suddiviso fra tutte le lampadine. La tensione occorrente per far accendere normalmente le lampadine è uguale alla somma delle tensioni di ciascuna lampadina. 21
CIRCUITI IN SERIE (UTILIZZATORI) Il collegamento in serie è quello nel quale gli utilizzatori si susseguono su di un unico conduttore (es. lampadine dell albero di Natale). I 1 I 2 V g + - V 1 V 2 I 3 V 3 V g = V 1 + V 2 + V 3 I g = I 1 = I 2 = I 3 In questo tipo di collegamento, se un utilizzatore si guasta (per esempio una lampadina si brucia) si interrompe il circuito e anche gli altri utilizzatori si spengono. 22
CIRCUITI IN PARALLELO (UTILIZZATORI) Il collegamento in parallelo è formato da un conduttore, detto primario, dal quale si dipartono una serie di altri conduttori cui sono collegati i singoli utilizzatori. I g + - V g I 1 I 2 I 3 V 1 V 2 V 3 V g = V 1 = V 2 = V 3 I g = I 1 + I 2 + I 3 In tal caso, il guasto di un utilizzatore è ininfluente. Per questo, nelle abitazioni si usano impianti elettrici con collegamenti in parallelo. Si ha così la possibilità di spegnere una lampada indipendentemente dalle altre, mentre ciò non sarebbe possibile con un collegamento in serie. 23
CIRCUITI IN SERIE (GENERATORI) Si possono avere collegamenti in serie e in parallelo anche dei generatori, ad esempio le pile. Usando più pile,collegate una all altra tra polo positivo e polo negativo, otterremo un collegamento in serie. In questo caso le tensioni si sommano; è quello che si fa nelle batterie di pile, dove singole celle sono disposte in serie per ottenere la tensione voluta. 24
CIRCUITI IN PARALLELO (GENERATORI) Se invece colleghiamo fra loro tutti i poli positivi e tutti i poli negativi, otteniamo un collegamento in parallelo. In questo caso la luminosità della lampadina non viene aumentata, ma rimane invariata poiché invariato è il valore della tensione (4,5 V). La corrente che deve fornire ogni generatore è invece minore. Per questo, se i generatori sono pile, il collegamento in parallelo assicura una maggiore durata nell erogazione della corrente elettrica. È importante notare che tutti i generatori devono avere la stessa tensione. 25
TENSIONE ELETTRICA E CORRENTE A CASA NOSTRA Dove troviamo la corrente in casa nostra? Naturalmente nelle prese, le comunissime prese di corrente. Nelle prese non c è la corrente, ma c è la tensione, ovvero quella forza che spinge gli elettroni a muoversi, dando origine alla corrente. Questa forza ha un valore ben preciso, che si indica con un numero, abbinato ad una unità di misura: il volt; così come diciamo che Elisa è alta 168 centimetri, possiamo dire che la tensione disponibile nelle prese di casa nostra misura 220 volt. Osservando bene una presa, vedremo che in essa ci sono tre fori: trascuriamo per momento il foro centrale, che ha solo una funzione di sicurezza, e parliamo dei due fori laterali. La forza elettromotrice, o tensione, di 220 volt, è presente tra i due fori. il 26
TENSIONE ELETTRICA E CORRENTE A CASA NOSTRA Possiamo immaginare che in uno dei fori sia presente la forza che serve a spingere le cariche elettriche e che l altro serva solo per ricevere le cariche che hanno terminato il loro percorso utile e se ne vanno. La tensione presente sulla presa, non produce alcun effetto finché niente vi viene inserito; nel momento in cui vi inseriamo una spina, per esempio la spina di una lampada, non facciamo altro che creare un collegamento tra il foro che spinge e quello che risucchia: Nel filo della lampada comincia a scorrere una corrente elettrica, che ha come effetto l accensione della lampadina. In figura 1 è stato evidenziato con un tratto continuo tutto il percorso seguito dalla corrente, supponendo che essa si sposti nel verso indicato dalle piccole frecce bianche. Si vede che la corrente esce dal foro della presa contrassegnato col numero 1, percorre il filo di collegamento ed arriva alla lampadina. Da qui la corrente, percorrendo il filo di ritorno, arriva nuovamente alla presa, dove entra nel foro numero 2 e se ne va. 27
ESERCIZIO N. 1 ESERCIZI: PRIMA LEGGE DI OHM 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? Svolgimento: La Prima Legge di Ohm stabilisce la relazione tra V, I ed R, in particolare: V = R x I = 6 (ohm) x 2 (ampere) = 12 (volt) 28
ESERCIZIO N. 2 ESERCIZI: PRIMA LEGGE DI OHM Ho un utilizzatore la cui resistenza R è di 44 ohm e lo collego ad una tensione V di 220 volt. Quale è l intensità di corrente che passa nell utilizzatore? Svolgimento: La Prima Legge di Ohm stabilisce la relazione tra V, I ed R, in particolare: 29
ESERCIZIO N. 3 ESERCIZI: PRIMA LEGGE DI OHM Un filo conduttore è attraversato da una corrente elettrica di intensità pari a 0,1A; tra i suoi estremi vi è una differenza di potenziale di 2,5 V. Qual è la resistenza del filo conduttore? Svolgimento: La Prima Legge di Ohm stabilisce la relazione tra V, I ed R, in particolare: 30
ESERCIZIO 1 ESERCIZI: SECONDA LEGGE DI OHM Un filo di acciaio nichel-cromo ha una sezione di 0,2 mm quadrati e una lunghezza di 10 metri. Quale è la sua resistenza? Svolgimento: La Seconda Legge di Ohm stabilisce: l = lunghezza del conduttore (espressa in m) S = sezione del conduttore (espressa in m 2 ) ρ = resistività (espressa in Ωm) Resistività ρ dell acciaio nichel-cromo= 1,1 [ohm mm 2 /m] (cioè 1,1 ohm di resistenza per ogni metro di lunghezza, quando la sezione misura 1 millimetro quadrato). 31