Lezione del 20 novembre 2012 - Dipartimento di Fisica e Geologia
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Circuiti elettrici Per muovere una carica tra due punti ci vuole un campo elettrico, quindi una differenza di potenziale (ddp) Se la carica si muove in un percorso chiuso (circuito) ho bisogno di un congegno che mantenga una ddp tra i punti del circuito, cioè di un generatore Possiamo utilizzare molti oggetti già studiati per fare circolare corrente Possiamo usare condensatori e solenoidi Introdurremo anche le resistenze Possiamo immagazzinare energia oppure produrla Possiamo avere corrente costante (continua) come quella delle batterie, o alternata come quella delle prese Marcello Borromeo corso di Fisica per Farmacia - Anno Accademico 2012-13 Verso della corrente e portatori di carica La corrente ha, per convenzione, il verso in cui si muovono le cariche positive In realtà, spesso sono le cariche negative che si muovono in verso opposto Questo avviene in tutti i metalli Alcune sostanze, i semiconduttori, possono condurre la corrente anche tramite cariche positive Queste sono le sostanze impiegate nell’elettronica, nei computer, ecc. Un tipico materiale semiconduttore è in Silicio, ”drogato” con Gallio o Germanio Marcello Borromeo corso di Fisica per Farmacia - Anno Accademico 2012-13 Potenza dissipata Per portare una carica Q da un punto A ad un punto B del circuito, con ddp ∆ V il campo elettrico deve fare un certo lavoro W = q ∆V Il lavoro fatto per unità di tempo è dato da P= dW dQ = ∆V = ∆V · I dt dt Questa è la potenza dissipata, e deve essere fornita dal generatore La potenza dissipata è tanto maggiore quanto più grandi sono la differenza di potenziale e la corrente La pericolosità della corrente dipende soprattutto dalla potenza che porta Marcello Borromeo corso di Fisica per Farmacia - Anno Accademico 2012-13 Resistenza Si trova sperimentalmente che la corrente che passa tra due punti è proporzionale alla ddp secondo la legge di Ohm ∆V = R · I R è una costante che dipende da come è fatto il conduttore R = ρ L/S dove L è la lunghezza del conduttore ed S la sua sezione ρ si chiama resistività e dipende solo dalla sostanza di cui è fatto il conduttore, non dalla sua geometria La potenza dissipata in un conduttore sarà P = V I = R I 2 = V 2 /R Materiale Argento Rame Carbone Silicio Quarzo fuso Marcello Borromeo Resistività Ω · m 1.59 · 10−8 1.7 · 10−8 3.5 · 10−5 640 75 · 1016 corso di Fisica per Farmacia - Anno Accademico 2012-13 Resistenze in serie Due o più resistenze si possono combinare per ottenere una resistenza di valore diverso Due resistenze in cui passa la stessa corrente sono in serie Le voglio rimpiazzare con un’unica resistenza (equivalente) che abbia lo stesso effetto a parità di ∆V devo ottenere la stessa corrente I V (A) e V (B) ddp ai capi della prima resistenza, V (B) e V (C ) della seconda V (A) − V (C ) = Req I = R1 I + R2 I = (R1 + R2 )I =⇒ Req = R1 + R2 Marcello Borromeo corso di Fisica per Farmacia - Anno Accademico 2012-13 Resistenze in parallelo Due resistenze, tra le quali esiste la stessa ddp si dicono in parallelo Le sostituisco con una singola resistenza, in cui passi la corrente, somma delle correnti che passano in R1 e R2 I = V /Req = I1 + I2 = V /R1 + V /R2 =⇒ 1/Req = 1/R1 + 1/R2 Marcello Borromeo corso di Fisica per Farmacia - Anno Accademico 2012-13 Forza elettromotrice I generatori sono congegni capaci di trasformare l’energia meccanica o chimica in energia elettrica Esempi pratici sono le batterie, gli alimentatori e la dinamo dell’auto, le centrali eoliche, idroelettriche e nucleari, ecc. La misura della loro capacità di fare passare corrente è la forza elettromotrice (fem), cioè l’energia per unità di carica che sono in grado di fornire La fem ha le stesse unità di misura della ddp, ma è concettualmente diversa All’interno del generatore passa corrente, ed anch’esso ha una resistenza r , che cambia la ddp ai capi del generatore rispetto a quella a circuito aperto V =f −I r Per molti scopi pratici, r può essere sommata con qualche resistenza in serie e il generatore può essere pensato come un generatore ideale con f.e.m. = V Marcello Borromeo corso di Fisica per Farmacia - Anno Accademico 2012-13 Circuiti in corrente continua Sono quelli in cui la corrente non varia nel tempo È composto da almeno un generatore e da una resistenza È costituito da nodi e da maglie Si può studiare usando la continuità della corrente nei nodi I = I1 + I2 e il fatto che la ddp deve essere nulla nel percorso attorno ad una maglia f = I r + I1 R 1 Marcello Borromeo corso di Fisica per Farmacia - Anno Accademico 2012-13 Correnti alternate Alcuni generatori producono una corrente che varia nel tempo in modo sinusoidale. È questa la corrente alternata L’espressione matematica è V (t) = V0 · cos(ω t + ϕ) = V0 · cos(2πν t + ϕ) Se la fem fosse periodica ma non armonica, si potrebbe comunque scomporre questa tramite il teorema di Fourier Un circuito con solo un generatore con fem V (t) = V0 cos(2πν t) e una resistenza R, avrà una corrente I = V0 /R cos(2πν t) e dissiperà una potenza V2 P = 0 cos2 (2πν t) R Poiché é inutile misurare la potenza istantanea, devo fare la media su un periodo (che equivale alla media su tempi lunghi) e ottengo √ √ 2 2 hPi = V02 /2R = Veff /R = RI02 /2 = RIeff Veff = V0 / 2, Ieff = I0 / 2 Marcello Borromeo corso di Fisica per Farmacia - Anno Accademico 2012-13 Condensatori Sono capaci di immagazzinare una carica Q se, tra le armature, c’è una ddp V . Due condensatori in serie hanno la stessa carica, le ddp si sommano. Se li rimpiazzo con un’unico condensatore di capacità Ceq , trovo Q/Ceq = V = V1 + V2 = Q/C1 + Q/C2 =⇒ 1/Ceq = 1/C1 + 1/C2 Due condensatori in parallelo hanno la stessa ddp ed il condensatore equivalente dovrebbe avere una carica pari alla somma delle cariche Q = Ceq V = Q1 + Q2 = C1 V + C2 V =⇒ Ceq = C1 + C2 Marcello Borromeo corso di Fisica per Farmacia - Anno Accademico 2012-13 Carica di un condensatore Al momento di chiudere il circuito non c’è carica sul condensatore Via via che la carica sulle armature aumenta, la ddp ai capi del condensatore controbilancia il generatore e la corrente diminuisce esponenzialmente V − Q/C = IR = dQ/dt Cercando una soluzione della forma Q(t) = V /C (1 − A e −t/τ ) Si trova A = 1 e τ = RC cioè Q(t) = CV (1 − e −t/τ ) Marcello Borromeo di Fisica per Farmacia - Anno Accademico di 2012-13 Nei circuiti in corrente alternata il corso condensatore ha la proprietà Induttanza Un solenoide ha un campo magnetico proporzionale alla corrente ~ è quindi proporzionale a I Il flusso di B posso scrivere allora Φ = LI Il coefficiente L non dipende dalla corrente ma solo da come è costruito il solenoide e si chiama induttanza Per un solenoide L = µ0 n N S Dato che la legge di Faraday mi dice che V = dΦ/dt allora trovo che V =L dI dt L’induttanza si misura in Henry (Henry = Volt secondo / Ampere) Marcello Borromeo corso di Fisica per Farmacia - Anno Accademico 2012-13 Energia del campo magnetico In un circuito RL la potenza dissipata sarà d dI VI = RI + L I =⇒ VI = RI 2 + dt dt 2 1 2 LI 2 Una parte dell’energia non è dissipata ma immagazzinata nel solenoide Per un solenoide di lunghezza a, esprimo in funzione del campo magnetico ricordando che L = µ0 N 2 S/a e B = µ0 N I /a, quindi I = a B/µ0 N U= 1 2 1 µ0 N 2 S B 2 a 2 B2 LI 2 = Sa = 2 a 2µ0 µ20 N 2 Posso definire un’energia per unità di volume del campo magnetico come u= U B2 = Sa 2µ0 Marcello Borromeo corso di Fisica per Farmacia - Anno Accademico 2012-13 Circuiti LC Sono composti da un condensatore, da un’induttanza e da un generatore (in corrente alternata) L’equazione del circuito è V (t) = dI (t) Q(t) +L C dt Dato che I = dQ(t)/dt ho che l’equazione è d 2 Q(t) 1 + Q(t) = V (t) dt 2 LC Questa è l’equazione di un oscillatore armonico forzato, con una √ frequenza cartteristica ω0 = 1/ LC . I circuiti LC sono in grado di selezionare una data frequenza, e sono usati, per esempio, nella sintonizzazzione delle radio Marcello Borromeo corso di Fisica per Farmacia - Anno Accademico 2012-13
