Elettricità e magnetismo

E1 Elettricità e magnetismo
Elettricità e magnetismo
Cos'è l'elettricità
La carica elettrica è una
proprietà delle particelle
elementari
(protoni
e
elettroni)
che
formano
l'atomo.
I protoni hanno
elettrica positiva.
carica
Gli elettroni hanno carica
elettrica negativa.
L'elettricità è si definisce come l'insieme dei fenomeni
fisici legati alle interazioni tra cariche elettriche, sia ferme
(elettricità statica) che in movimento.
La carica elettrica è una proprietà fondamentale delle
particelle elementari che compongono la materia. Può essere
negativa o positiva.
Fig.1:
Atomo di carbonio; il nucleo si
compone di sei protoni (carica
positiva) e di sei neutroni (privi di
carica o neutri), mentre negli orbitali
sono presenti sei elettroni (carica
negativa).
L'atomo si compone di un nucleo formato da particelle con
carica positiva (protoni) e particelle prive di carica (neutroni);
il nucleo è circondato da orbitali nei quali si muovono le
particelle con carica negativa (elettroni).
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Normalmente, in un atomo il numero degli elettroni è
uguale a quello dei protoni (cfr. fig.1), per cui l'atomo stesso è
privo di carica elettrica.
Tuttavia, in particolari condizioni, un atomo può perdere o
acquistare elettroni acquisendo in tal modo una carica
positiva o negativa. In questi casi, l'atomo si definisce:
•
ione positivo (carica positiva) se ha perso elettroni.
•
ione negativo (carica negativa) se ha acquistato
elettroni
Le cariche elettriche generano un campo di forze.
In particolare, una delle interazioni tra cariche elettriche in
cui si manifestano forze elettromagnetiche è quella
schematizzata in figura:
+
+
+
-
Fig.2:
Rappresentazione delle interazioni
tra cariche elettriche:
Forze di carica uguale si respingono
Forze di carica opposta si attraggono
ovvero:
due corpi con carica elettrica dello stesso segno (ad es. + e +) si
respingono.
due corpi con carica di segno opposto (ad es. + e -) si
attraggono.
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In un atomo, di solito, c'è un
eguale numero di protoni e
di elettroni.
Ma un atomo può perdere o
acquistare
elettroni,
e
quindi, può acquisire una
carica elettrica diventando
uno ione.
Si ha:
Ione positivo: se l'atomo
perde elettroni.
Ione negativo: se l'atomo
acquista elettroni.
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La carica elettrica si può trasmettere da un corpo all'altro
Gli elettroni possono, infatti, spostarsi da un corpo all'altro
quando questi sono messi a contatto (conduzione), creando una
corrente elettrica. La trasmissione di cariche elettriche non
avviene allo stesso modo in tutti i materiali, perché alcuni di
essi oppongono maggiore resistenza al passaggio di elettroni.
Si definiscono:
•
conduttori: i materiali che consentono lo scorrimento al
loro interno delle cariche elettriche (elettroni o ioni).
Sono buoni conduttori i metalli, i corpi umidi e le
soluzioni saline.
•
isolanti: i materiali che non si lasciano attraversare
facilmente dalle cariche elettriche. Sono isolanti la
plastica, il vetro, la gomma, le ceramiche.
Grandezze elettriche
Supponiamo di accumulare cariche negative su un corpo e
di creare su un altro una carenza di elettroni. In queste
condizioni, tra i due corpi si genera una differenza di
potenziale (d.d.p.) o tensione elettrica V, che sarà tanto più
grande quanto maggiore è la differenza di carica.
+
- -- --
-
verso convenzionale
della corrente elettrica
+
- - - - --
-
conduttore
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L'unità di misura della tensione elettrica è il volt (V).
Se tra i due corpi viene posto un filo di materiale
conduttore, le cariche negative iniziano a spostarsi lungo il filo
e si portano sul corpo a carica positiva. In altre parole, tra i due
corpi viene a crearsi un flusso di elettroni o corrente elettrica.
La misura della quantità di cariche elettriche che
attraversano la sezione di un conduttore è detta intensità di
corrente e la sua unità di misura è l'ampere (A).
Come abbiamo visto, non tutti i materiali si lasciano
attraversare allo stesso modo da una corrente elettrica; la
resistenza che un corpo oppone al passaggio della corrente
può essere misurata ed è a sua volta una grandezza elettrica.
L'unità di misura della resistenza è l'ohm (W).
Le principali grandezze elettriche e le relative unità di
misura sono:
grandezza elettrica
simbolo
unità di misura
tensione elettrica o d.d.p.
V
volt [V]
intensità di corrente
I
ampere [A]
Resistenza elettrica
R
ohm [W]
La legge di Ohm
La prima legge di Ohm afferma che, dato un conduttore con ai
suoi capi una differenza di potenziale, la tensione elettrica V è
direttamente proporzionale all'intensità di corrente I e il
fattore di proporzionalità è la resistenza elettrica R del
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La tensione elettrica o
differenza di potenziale
d.d.p tra due punti A e B di
un campo elettrico è una
grandezza fisica che misura
il lavoro necessario a
spostare
una
carica
elettrica unitaria dal punto
A al punto B.
L'intensità di corrente è
una grandezza fisica che
misura la quantità di carica
elettrica che attraversa la
sezione di un conduttore
nel tempo di un secondo.
La resistenza elettrica è
una grandezza fisica che
misura la capacità di un
corpo
di
opporsi
al
passaggio di una corrente
elettrica.
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conduttore. Ovvero, si ha:
V=RxI
(1)
Dove V, R e I sono rispettivamente la tensione elettrica
applicata agli estremi del conduttore, la sua resistenza e
l'intensità di corrente che lo attraversa.
I
V
R
V=RxI
I
La resistenza elettrica R del conduttore dipende:
•
dal materiale che costituisce il conduttore: argento,
rame, alluminio sono i metalli che oppongono minore
resistenza al passaggio delle cariche elettriche.
•
dalla lunghezza: più lungo è il corpo conduttore
maggiore sarà la resistenza.
•
dalla sezione: maggiore è la sezione del conduttore
minore sarà la sua resistenza.
Dall'equazione (1) si ricavano le seguenti forme:
R=V/I
I=V/R
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Potenza elettrica e effetto Joule
La potenza (P) esprime il lavoro svolto nell'unità di tempo
(un secondo); ricordando il legame tra lavoro ed energia, la
potenza si può immaginare come l'energia liberata nell'unità
di tempo.
L'unità di misura della potenza è il watt [W].
In un conduttore percorso da una corrente elettrica tutta o
parte dell'energia viene convertita in calore (effetto Joule).
La potenza termica liberata per effetto Joule è espressa
dalla formula:
P=VxI
L'effetto Joule è utilizzato per il funzionamento di molti
elettrodomestici “a resistenza” (forni elettrici, asciugacapelli,
boiler, etc.) e anche delle lampade a incandescenza, in cui
l'aumento di temperatura del filamento è tale da renderlo
luminoso.
E' invece dannoso per la trasmissione dell'elettricità
lungo gli elettrodotti, dove causa la dissipazione sotto forma
di calore di parte dell'energia elettrica. La trasmissione ad alta
tensione e l'uso di cavi di alluminio di elevata sezione riduce al
minimo la perdita sotto forma di calore causata dall'effetto
Joule durante il trasporto di energia elettrica alle utenze.
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