Elettricità 4 Dummies

Nerd Open Workshop - Firenze 15/12/2012
Elettricità 4 Dummies
Davide Cesare
[email protected]
Introduzione:
«l’energia potenziale nella meccanica»
L’energia potenziale 𝑈 è la differenza tra l’energia posseduta da un oggetto in una data
posizione 𝑈𝑎 e quella posseduta dallo stesso in una posizione di riferimento 𝑈0 .
Esempio:
Il sasso viene attratto dal campo
gravitazionale terrestre ed ha energia
𝑬 = 𝒎𝒈𝒉
𝑬∝𝒉
l’energia è proporzionale all’altezza!
Analogia idraulica #1:
«flusso acqua = corrente elettrica»
Prendiamo 2 cisterne collegate da una condotta
h
Se c’è un dislivello
tra le due cisterne
si crea una corrente
di acqua nella condotta
Appena il dislivello si azzera la corrente cessa immediatamente
Analogia idraulica #1:
«flusso acqua = corrente elettrica»
Acqua attraverso la condotta
nell’unità di tempo:
(portata)
𝑞=
𝑄𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖𝑡à 𝑎𝑐𝑞𝑢𝑎
𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜
Elettroni attraverso il filo
nell’unità di tempo:
(corrente)
𝑖=
𝑄𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖𝑡à 𝑒𝑙𝑒𝑡𝑡𝑟𝑜𝑛𝑖
𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜
Analogia idraulica #2:
«differenza di livello = tensione elettrica»
Differenti quantità di
carica tra i due poli
Differenza
di livello
Corrente
di acqua
Differenti quantità di
acqua tra le due cisterne
Differenza
di tensione
Corrente
elettrica
Analogia idraulica #2:
«differenza di livello = tensione elettrica»
- La carica elettrica non si genera dal nulla ma è sempre frutto di un lavoro.
E’ necessario che qualche forza «strappi via» elettroni agli atomi che li possedevano
causa
esempi
ossido-riduzione
batterie
induzione magnetica
dinamo, generatori
induzione
elettrostatica
temporali, generatori
di Van de Graaff
luce
celle fotovoltaiche
calore
termocoppie
deformazione
meccanica
cristalli piezoelettrici
Analogia idraulica #3:
«diametro condotta = resistenza elettrica»
Il flusso diminuisce
Scorre un flusso «x»
?
Il flusso aumenta
E questa?
𝑅=
8η𝑙
π𝑟 2
Analogia idraulica #3:
«diametro condotta = resistenza elettrica»
La corrente di elettroni deve passare attraverso la struttura cristallina del conduttore
(modello di Drude).
Maggiore sezione
Passaggio più semplice
𝑅=𝜌
𝑙
𝑆
È come dover attraversare un aeroporto:
Aeroporto deserto
Aeroporto nell’ora
di punta
Lo attraverso di
corsa in 1 minuto
Lo attraverso a
fatica in 20 minuti
(facendo a spallate)
Il circuito elettrico
(mettiamo tutto insieme e vediamo che succede)
Interruttore:
Apre e chiude il circuito
Resistenza:
Si oppone al passaggio
della corrente
Batteria:
genera una differenza di
potenziale (a.k.a. tensione)
Filo:
In realtà anche il filo si
oppone al passaggio della
corrente ma solitamente la
sua resistenza è trascurabile
Il circuito elettrico
La (prima) legge di Ohm
1,5 Volt
I=?
Georg Simon Ohm
(1789 –1854)
R=1Ω
𝑉 =𝑅∗𝐼
Differenza
di potenziale
in volt (V)
0 Volt
(riferimento)
Corrente in
Ampère (A)
Resistenza
in ohm (Ω)
Il circuito elettrico
(Lavoro ed effetto Joule)
Esperimento
Principio di conservazione dell’energia:
LAVORO
(elettroni che si muovono)
=
CALORE
(resistenza che scalda)
R =1Ω
Principio dimostrato da
Joule (infatti il lavoro
si misura in Joule [J])
Ho dimostrato il 1°
principio della
termodinamica!
Lavoro (L) = trasferimento o sottrazione di energia
cinetica compiuto da una forza su un corpo
L = 𝐹𝑜𝑟𝑧𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑡𝑡𝑟𝑜𝑚𝑜𝑡𝑟𝑖𝑐𝑒 (𝑉) ∗ Carica Elettrica (Q)
James Prescott Joule
1818 - 1889
Il circuito elettrico
(la potenza)
Potenza (P) = lavoro nell’unità di tempo [W]
1 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒
1W = 1 𝑠𝑒𝑐𝑜𝑛𝑑𝑜
1,5 Volt
𝑃 =𝑉∗𝐼
R =1Ω
0 Volt
Ma anche
𝑃=𝑅∗
𝐼2
e
Potenza dissipata dalla resistenza
𝟏, 𝟓𝑽 ∗ 𝟏, 𝟓𝑨 = 𝟐, 𝟐𝟓𝑾
𝑃=
𝑉2
𝑅
Il circuito elettrico
(polarizziamo un led)
I LED, quando sono sottoposti ad
una tensione diretta, emettono fotoni
Colore
infrarosso
rosso
giallo
verde
arancio
blu/bianco
Blu
Tipologia LED
il «+» è il piedino
più lungo!
LED basso
consumo
LED normali
LED flash
LED di potenza
Tensione
di giunzione
1,3
1,8
1,9
2,0
2,0
3,0
3,5 V
Assorbimento
(mA)
3 - 10
10 - 15
20 - 40
100 - 20000
Il circuito elettrico
(polarizziamo un led)
3V
1) Fissare un valore di corrente (es 10mA)
2) Calcolare la tensione in eccesso:
𝑉𝑒𝑐𝑐 = 𝑉 − 𝑉𝑙𝑒𝑑
Es. con led rosso:
𝑉𝑑𝑖𝑠𝑝 = 3 − 1,8 = 1,2𝑉
1,5V
0V
3) Calcolare la resistenza adeguata per far
scorrere la corrente desiderata:
𝑉𝑒𝑐𝑐
1,2
𝑅=
=
= 120Ω
𝑖𝑑𝑒𝑠𝑖𝑑𝑒𝑟𝑎𝑡𝑎
0,01
Carica delle batterie
Le batterie generano corrente elettrica
grazie ad una reazione chimica; la capacità
indica quanta corrente possono generare
prima che la reazione si esaurisca.
Durante lo scaricamento anche la tensione
cala leggermente.
La capacità di misura in Ampèrora (Ah) ed
indica «quanta corrente per quanto tempo»
la batteria è in grado di erogare.
Quanto durerà la batteria?
𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡à [𝐴ℎ]
𝐷𝑢𝑟𝑎𝑡𝑎 [ℎ] =
𝑎𝑠𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 [𝐴]
Capacità
Tipica: 3Ah
Capacità
Tipica: 16Ah
The end
gracias
puno vam hvala
salamat
dziękuję bardzo
Ευχαριστω
Hvala
:: ‫ُش ْكر ًا‬
Спасибо
Dhanyavaad
Dankeschön
Cảm ơn
teşekkür ederim
thank you
obrigada
grazie