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
103
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
H2O 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
103
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
cariche negative.
-,
dove sono concentrate tutte le
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
103
MΩ
Megaohm
106
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 = ρL
S
Dove R è la resistenza, misurata in Ω ,
ρ è la resistività del materiale misurata in Ω . mm2 / m , L è la
lunghezza del filo misurata in metri,
S è la sezione del filo misurata in mm2.
Il ρ del rame è 0,0177 Ω . mm2 / 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
Ω . mm2 / m]
Argento
0,016
Rame
0,0177
Alluminio
0,028
Oro
0,023
Ferro
0,13
Tunghsteno
0,055
Carta
1014
Vetro
1016
Porcellana
1019
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=RI
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.
