CARICA ELETTRICA Si dimostra sperimentalmente che se strofiniamo una bacchetta di plastica o di vetro su di un panno essa è in grado di attrarre dei pezzettini di carta. Questo fatto noi lo giustifichiamo dicendo che la bacchetta di plastica si è caricata di elettricità, cioè ha acquistato una carica elettrica durante lo strofinio con il panno. Quando noi avviciniamo la bacchetta alla carta, si verifica che la carta viene attirata dalla bacchetta di plastica, senza che sia visibile un collegamento meccanico tra i due oggetti. La carica elettrica può essere di segno positivo, che indichiamo con +;- o di segno negativo, che indichiamo con il -. L elettroscopio a foglie d'oro è uno strumento che rileva la presenza di cariche elettriche. L'elettroscopio è costituito da una ampolla di vetro poggiata su una base isolante. All'interno dell'ampolla vengono messe due lamine sottilissime di oro, che è conduttore. Il punto di contatto delle due lamine viene portato all'esterno mediante una sfera di metallo conduttore. Se le due lamine non sono cariche esse si presentano unite e verticali, in quanto la forza di gravità le attira verso il basso. elettroscopio carico positivamente Se avviciniamo una bacchetta di vetro, carica positivamente, alla sfera metallica esterna, avviene che le lamine di oro si caricano dello stesso segno, cioè sono tutte e due positive, e poiché sono leggere e
libere di muoversi, esse si allontanano tra di loro nella parte inferiore, perché le cariche elettriche dello stesso segno si respingono. Questo è, appunto, un fatto nuovo, che cioè tra due oggetti distanti tra di loro e che non si toccano meccanicamente, possono esistere delle forze, diverse dalla forza di gravitazione, che tendono ad attrarre o a respingere i due oggetti. Elettricità ed Elettrotecnica Elettricità è la caratteristica che hanno alcuni corpi di poter manifestare delle forze di attrazione o di repulsione, senza alcun contatto meccanico. Elettrotecnica, invece, è la materia che studia i fenomeni elettrici, cioè che studia l'elettricità. L'elettronica e l'elettrotecnica sono due discipline strettamente legate, che si differenziano per il tipo di applicazione: l'elettrotecnica ha come scopo principale la trasmissione della potenza elettrica e la gestione e il progetto delle macchine elettriche, l'elettronica si occupa soprattutto dell'elaborazione dei segnali elettrici e quindi, in senso lato, dell'informazione. Un'altra caratteristica dei fenomeni elettrici è il riscaldamento dei corpi che sono carichi di elettricità. Per esempio supponiamo di prendere una pila, detta volgarmente anche batteria, essa ha due estremità, dette morsetti, una indicata col + e l'altra indicata con il -. Pila a stilo Philips e pila a bottone Duracell
Se uniamo con un filo di rame i due morsetti della pila, notiamo dapprima un scintilla, cioè un fenomeno luminoso che emette luce, calore e suono, e poi notiamo un rapido riscaldamento sia della pila che del filo di rame. Il filo di rame si riscalda a tal punto da raggiungere la temperatura di fusione del rame, e quindi il rame inizia a fondere, a causa della elevata temperatura. Anche la pila inizia a riscaldarsi; poi si surriscalda ed infine esplode, diventando pericolosa, al pari di una bomba, a causa dell'eccessivo riscaldamento. Questa è la prova evidente che una pila è dotata di elettricità, cioè ha la caratteristica di potersi riscaldare, senza che vediamo un movimento di oggetti e senza che vediamo un combustibile che brucia. Riepilogando, queste sono le due caratteristiche essenziali che ci dicono che siamo in presenza di un fenomeno elettrico: 1 - I corpi elettrici hanno la proprietà di attrarsi o di respingersi tra di loro. 2 - I corpi elettrici hanno la proprietà di riscaldarsi, mentre si manifestano i fenomeni elettrici. Per cui la carica elettrica la possiamo definire come la proprietà che possiedono alcuni corpi di attrarre a distanza e di riscaldarsi. Magnetismo Il magnetismo è la proprietà che possiedono alcuni corpi di attirare i pezzi di ferro. Un pezzo di materiale che e' dotato di magnetismo si chiama magnete o calamita. Nei magneti distinguiamo un polo nord ( N ) e un polo sud ( S ).
I due poli di un magnete poli magnetici di un motore per tergicristallo Non si può isolare il polo nord dal polo sud, ma per ogni polo N esiste un polo S. Stiamo attenti allora alle differenze tra carica elettrica e polo magnetico: 1 - I poli magnetici non si possono separare; anche se rompo un magnete, ciascuno dei due pezzi ha il suo polo Nord ed il suo polo Sud; invece le cariche elettriche si possono separare, mettendo da una parte le cariche positive e dall'altra le cariche negative. Se spezzo in due una carica positiva, ottengo due cariche positive più piccole, ma sempre positive. 2 - Nei poli magnetici non si presenta un riscaldamento, cioè pure che unisco con un filo di ferro i due poli, essi si attraggono, in quanto si magnetizzano, ma non si riscaldano, se trascuriamo il calore generato dall'attrito nel momento in cui si attraggono. Invece, nelle cariche elettriche, si manifestano anche dei fenomeni di riscaldamento. La gravitazione universale La forza gravitazionale è leggermente diversa dalle forze elettriche e dalle forze magnetiche. La forza gravitazionale esiste tra due corpi ed è dovuta alla loro massa, cioè alle loro dimensioni e caratteristiche del materiale di cui sono fatti. Nelle forze gravitazionali esistono solo forze di attrazione e non di repulsione, per cui un oggetto posto in alto tende a cadere verso il basso, a causa della forza gravitazionale che la
terra esercita sul corpo. La forza gravitazionale la possiedono tutti i corpi, anche se non sono carichi né di elettricità né di magnetismo. Rappresentazione delle cariche Quindi l'esperienza ci dice che esistono delle cariche elettriche. La carica elettrica si misura in coulomb. ( si legge: culomb) La abbreviazione di coulomb è la lettera C Esempio: Q = 10 C Rappresenta una carica elettrica positiva che abbiamo indicato con la lettera Q e questa carica elettrica è pari a 10 coulomb. Se, invece, la carica fosse stata negativa, avremmo scritto: Q = - 10 C Quindi se ho una sfera caricata con elettricità positiva la indico con: essa possiede una carica Q espressa in Coulomb; cioè Q è la quantità di elettricità misurata in Coulomb. La carica elettrica più piccola è quella posseduta da un elettrone ed è negativa. Un elettrone possiede una carica elettrica negativa pari a: e = - 1,6. 10-19 C CORRENTE ELETTRICA Se le cariche elettriche sono ferme non si ha passaggio di corrente elettrica. Quando una carica elettrica si muove da un punto ad un altro si dice che vi è una corrente elettrica. Si dice corrente elettrica il movimento di cariche elettriche. La corrente si misura in ampere ( si legge: amper, senza la e finale), e si abbrevia con la lettera A Ogni grandezza elettrica si abbrevia con una lettera dell'alfabeto. Usiamo la lettera I per indicare la corrente. Esempio: Volendo dire che vi è una corrente di 10 Ampere scriviamo: I = 10 A
che vuol dire che vi è la corrente I che ha il valore di 10 Ampere. Lo strumento che misura la corrente si dice amperometro. multimetro utilizzato come amperometro Per la corrente vi sono multipli e sottomultipli, come nella seguente tabella. Si scrive Si legge Si moltiplica per ka Chiloamper 10 3 ma Milliamper 10-3 µa Microamper 10-6 I materiali esistenti in natura, li possiamo dividere in: conduttori isolanti. Materiali conduttori sono quelli che consentono il passaggio della corrente elettrica. Sono conduttori l'argento, il rame, l'oro, l'alluminio, il ferro, l'acqua. Si dicono isolanti i materiali che non consentono il passaggio della corrente elettrica; sono isolanti il marmo, il legno, la gomma, le materie plastiche, la bachelite, il vetro, la carta, la ceramica e l'aria secca, cioè priva di umidità. Per l'aria occorre stare attenti al grado di umidità; in pratica se l'aria è secca, cioè non contiene vapore acqueo, cioè è priva di umidità, si comporta da isolante. Per esempio i fili dell'alta tensione presenti sui
tralicci dell'enel sono isolati in aria, cioè non sono rivestiti da materiale plastico isolante. Quando l'aria diventa umida, cioè aumenta la percentuale di vapore acqueo, allora l'aria inizia a diventare conduttrice; più elevata è l'umidità più aumenta la conduzione elettrica dell'aria. In genere i metalli sono conduttori, mentre i non metalli sono isolanti. E sono conduttori tutti i corpi umidi, in cui è presente l'acqua, per esempio il nostro corpo. Vediamo ora perché alcuni materiali conducono ed altri no. Per quanto riguarda l'acqua essa dovrebbe essere un isolante, invece è un buon conduttore. In realtà l'acqua distillata, cioè acqua purissima H 2 O senza sostanze disciolte in essa, è un isolante; ma, poiché, per usarla la dobbiamo o toccare con le mani o immergere dei materiali in essa, avviene che nell'acqua ci sono sempre dei sali disciolti, sotto forma di ioni. E gli ioni possiedono una carica elettrica e quindi possono muoversi nell'acqua dando luogo ad una elevata corrente.
Bande di energia Dallo studio della struttura atomica dell'atomo sappiamo che gli elettroni sono liberi di muoversi attorno al nucleo. Non tutti gli elettroni hanno gli stessi livelli energetici, ma possiamo raggrupparli in bande di energia. Si dice banda di energia un insieme di livelli energetici posseduti dagli elettroni. Si dice banda di valenza l'insieme degli elettroni che hanno un livello energetico basso, tale da restare nei pressi dell'atomo di appartenenza, e da non potersi staccare da esso. Si dice banda di conduzione l'insieme di elettroni che hanno un livello energetico abbastanza alto, tale da lasciare l'atomo di appartenenza, dando luogo ad una conduzione di tipo elettrico. Tra la banda di valenza e la banda di conduzione vi può esser una banda proibita, cioè un insieme di livelli energetici non consentiti, in quanto un generico elettrone o si trova nella banda di valenza o si trova nella banda di conduzione. Se osserviamo i seguenti diagrammi: possiamo concludere che negli isolanti la banda proibita è molto grande, di conseguenza sono pochi gli elettroni che raggiungono una energia sufficiente a passare dalla banda di valenza alla banda di conduzione; di conseguenza l'isolante non conduce. Nei materiali conduttori, invece, le due bande di valenza e di conduzione si sovrappongono, manca, quindi la banda proibita; quindi un notevole numero di elettroni possiede a temperatura ambiente una energia sufficiente ad essere considerato nella banda di conduzione, quindi il conduttore è in grado di condurre la corrente elettrica. Nei materiali semiconduttori la banda proibita è piccola, quindi è sufficiente un innalzamento della temperatura per portare un certo numero di elettroni dalla banda di valenza alla banda di conduzione. Gli isolanti vengono anche chiamati dielettrici, nel senso che non fanno passare l'elettricità.
Relazione tra corrente e carica elettrica Se indichiamo con Q la carica elettrica che si muove in un conduttore, indichiamo con t il tempo che impiega a muoversi, possiamo calcolare la corrente con la seguente formula: Nella ipotesti che Q = 1 C e t = 1 s otteniamo Questa formula ci dice che la corrente è di 1 A quando circola una carica pari a 1 C nel tempo di 1 secondo. La velocità con cui si muove la carica elettrica per dare luogo alla corrente è la stessa velocità della luce, e cioè: c = 300.000 km/s GENERATORE DI TENSIONE Per far muovere le cariche elettriche occorre una certa forza. Un componente in grado di far muovere le cariche elettriche si dice generatore di tensione. Una pila è un generatore di tensione. Una batteria dell'auto è un generatore di tensione. La tensione si misura in volt, che si abbrevia con la lettera V. La tensione di solito la indichiamo con la lettera E. Esempio: E = 12 V vuol dire che esiste una tensione E, che ha il valore di 12 volt. Lo strumento che misura la tensione elettrica si dice voltmetro. Multimetro utilizzato come voltmetro
La tensione è anche detta differenza di potenziale, in quanto i due poli del generatore di tensione hanno un potenziale diverso, in quanto l'uno è positivo, quindi ha un potenziale positivo ed è sicuramente più grande dell'altro che ha un potenziale negativo. Quindi tra i due poli vi è sicuramente una differenza di potenziale. Per la tensione vi sono multipli e sottomultipli, come nella seguente tabella. Si scrive Si legge Si moltiplica per kv Chilovolt 10 3 mv Millivolt 10-3 µv Microvolt 10-6 Il generatore di tensione è in grado di separare le cariche elettriche, facendo in modo che tutte le cariche elettriche positive si trovino da un lato del generatore, invece tutte le cariche elettriche negative si trovano dal lato opposto del generatore. Possiamo notare una pila stilo da 1,5 V, col polo positivo verso l'alto; e una pila a ossido di argento col positivo sul lato posteriore. (I marchi visibili sono di proprietà delle relative ditte costruttrici) Il simbolo del generatore di tensione è il seguente. simbolo da noi usato simbolo di alcuni testi Si dice morsetto o polo del generatore una delle due parti terminali di un generatore di tensione. Quindi il generatore ha due morsetti. Il morsetto si indica col simbolo:
simbolo del morsetto Nel generatore vi è un morsetto positivo, che indichiamo col segno +, dove sono concentrate solo cariche positive. Vi è inoltre un morsetto negativo, che indichiamo col segno -, dove sono concentrate tutte le cariche negative. CIRCUITO ELETTRICO Si dice circuito elettrico un percorso chiuso, che si ottiene partendo da un punto qualsiasi e tornando allo stesso punto. Ovviamente nel circuito vi deve essere almeno un componente elettrico. Il generatore di tensione è un componente elettrico. Una lampada è un componente elettrico e si indica col simbolo. Un interruttore è un componente elettrico, e si indica col simbolo. Se l'interruttore è aperto non passa corrente. Se l'interruttore è chiuso la corrente passa. Quindi dato un semplice circuito:
composto da generatore di tensione, interruttore e lampada, quando l'interruttore è chiuso nel circuito circola una certa corrente e la lampada si accende. Quando l'interruttore è aperto la corrente non può circolare nel circuito e la lampada si spegne. La linea che unisce i vari componenti rappresenta il filo elettrico. Il filo elettrico è fatto di rame, che è un materiale conduttore; l'esterno del filo è rivestito di materiale isolante, di solito polivinilcloruro, per evitare pericoli per l'utente. In un circuito elettrico, perché vi passi la corrente, occorre che il circuito sia chiuso, cioè sia composto da tutti componenti che siano conduttori; se invece nel circuito vi è un solo tratto composto da isolante, il circuito è aperto; e nel circuito aperto non passa corrente. Ricordiamo che l'aria è un isolante. RESISTENZA Quando la corrente circola in un circuito incontra un certo ostacolo durante il percorso. Vale a dire che nonostante percorre il circuito alla velocità della luce, la corrente che può passare dipende da come è costruito il componente, cioè dalla sua lunghezza, dalla sua sezione, dal materiale utilizzato. Si dice resistenza di un componente elettrico l'ostacolo che esso oppone al passaggio della corrente elettrica. Unità di misura della resistenza è l'ohm, che si abbrevia col simbolo Ω, che si legge ohm. La resistenza di solito la indichiamo con la lettera R. Esempio R= 1.000 Ω vuol dire che esiste una resistenza R, che ha il valore di 1.000 ohm. Lo strumento che misura la resistenza si dice ohmmetro.
multimetro utilizzato come ohmmetro Per la resistenza esistono i multipli, secondo la seguente tabella: si scrive Si legge Si moltiplica kω Chiloohm 10 3 MΩ Megaohm 10 6 Notiamo, da sinistra, un resistore a filo da 50 Ω, un resistore ad impasto, un resistore variabile, detto potenziometro Ricordiamo che resistore è un componente, mentre la resistenza è la proprietà che ha il resistore. Il simbolo elettrico del resistore è: La resistenza di un filo si calcola con la seguente formula: R = ρ L S Dove R è la resistenza, misurata in Ω, ρ è la resistività del materiale misurata in Ω. mm 2 / m, L è la lunghezza del filo misurata in metri, S è la sezione del filo misurata in mm 2.
Il ρ del rame è 0,0177 Ω. mm 2 / m. Ogni materiale ha la sua resistività. Un buon conduttore ha una bassa resistività, cioè oppone poca resistenza al passaggio della corrente, invece un isolante ha una elevata resistività. Materiale resistività ρ [Ω. mm 2 / m] Argento 0,016 Rame 0,0177 Alluminio 0,028 Oro 0,023 Ferro 0,13 Tunghsteno 0,055 Carta 10 14 Vetro 10 16 Porcellana 10 19 Resistività di alcuni materiali a 0 C Di solito i fili conduttori si costruiscono in rame, che pur avendo una resistività maggiore dell'argento, è meno costoso.
LEGGE DI OHM La legge di Ohm è una legge fondamentale dell'elettrotecnica. Essa indica la relazione fra la tensione e la corrente di un qualunque componente elettrico. La formula è la seguente: V = R I Dove V è la tensione ai capi del componente considerato, R è la resistenza del componente, I è la corrente del componente. Tale formula ci dice che vi è una proporzionalità diretta tra tensione e corrente del componente. Infatti, tenendo costante la resistenza del componente, all'aumentare della tensione applicata ai capi del componente aumenta la corrente che circola nel componente stesso. La tensione presente ai capi di un resistore viene detta anche caduta di tensione, in quanto il resistore viene utilizzato molto spesso per diminuire una tensione molto grande.