Generalità sulle correnti elettriche. Circuiti filiformi in regime

Generalità sulle correnti elettriche.
Circuiti filiformi in regime stazionario
PRINCIPIO DI CONSERVAZIONE DELLA CARICA
La carica elettrica non si crea ne si distrugge: può essere
solo spostata.
La corrente elettrica si concepisce come movimento di
cariche elettriche. In regime stazionario il movimento delle
cariche é indipendente dal tempo. Le correnti che ne risultano,
di valore costante, sono comunemente denominate correnti
continue.
La grandezza fondamentale è la carica elettrica, indicata
con “q” e misurata in Coulomb (C). 1 C=6.24*10-19 e dove con
e si indica la carica elettrica dell’elettrone.
Le cariche elettriche possono essere positive o negative.
La somma algebrica delle cariche presenti in un certo
volume definisce la quantità di elettricità in esso contenuta.
Il movimento di una carica positiva in un senso equivale al
movimento di una uguale carica negativa in senso opposto.
La somma della quantità di elettricità positiva che
attraversa una determinata superficie in un senso e di quella
negativa, che la attraversa in senso opposto, nell'unità di tempo,
costituisce
1'intensità
della
corrente.
Si
assume,
convenzionalmente, come verso positivo della corrente quello
opposto al movimento delle cariche negative.
Appunti a cura dell’Ing. Stefano Usai, tutore del corso di ELETTROTECNICA per meccanici e chimici e biomedici
Facoltà di Ingegneria dell’Università degli Studi di Cagliari
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Il riferimento alle cariche negative si giustifica con la
considerazione che, in molti casi, soltanto queste sono libere di
muoversi.
La carica elettrica negativa elementare è costituita
dall’elettrone le cui caratteristiche fondamentali sono:
carica elettrica e = 1.60*10-19 Coulomb
massa
m = 9.11*10-31 kg.
Il valore indicato della massa presuppone la considerazione
di elettroni in movimento relativamente lento, così da poter
trascurare le correzioni imposte dalla teoria relativistica.
La più piccola massa materiale con la quale possono
apparire le cariche positive è quella del nucleo dell'atomo di
idrogeno (si prescinde dalla considerazione del positrone,
quantità equivalente all’elettrone come carica e massa, ma di
segno opposto, quindi positivo, scoperto in tempi relativamente
recenti):
mH = 1.67*10-27 kg
Tale massa risulta essere 1840 volte maggiore di quella
dell'elettrone.
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Gli elettroni e protoni possono presentarsi associati in
diverso numero a costituire particelle composte, con cariche e
masse diverse, avremo in definitiva da considerare i seguenti
tipi di cariche elettriche, suscettibili di determinare con il loro
movimento una corrente:
Elettroni (sempre di segno -, di carica e massa come sopra
indicate);
Ioni (positivi o negativi, di carica eguale a quella dell'elettrone
o multipla di essa e di massa definita dalle caratteristiche
dell'atomo o della molecola da cui provengono)
La corrente elettrica quindi si concepisce come movimento
di cariche elettriche, che possono essere sia positive che
negative.
La quantità di elettricità contenuta in un volume V è pari
alla somma algebrica delle cariche presenti, mentre l’intensità
di corrente riferita ad una superficie è pari alla somma
algebrica delle cariche che attraversano quella superficie, in un
senso stabilito, nell’unità di tempo.
∆q dq
=
∆t → 0
∆t dt
i = lim
q (t ) = ∫− ∞ i (t )dt
t
dove: 1A =
[ Ampere] [ A]
[Coulomb]
[C ]
da cui
(1)
(2)
1Coulomb
1sec ondo
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1.2 LA CORRENTE ELETTRICA NEL MEZZO
In relazione alla natura del mezzo in cui le cariche si
muovono, la corrente elettrica può stabilirsi nei seguenti modi:
corrente elettrica nei metalli (corrente di conduzione)
“
“
“ negli elettroliti (corrente di convezione)
“
“
“ nel vuoto
“
“
“ nei gas
“
“
“ nei dielettrici (corrente di spostamento)
“
“
“ nei semiconduttori (di tipo n e di tipo p)
“
“
“ delle cariche statiche
1. La corrente elettrica nei metalli consiste in un movimento
che si interpreta supponendo che non tutti gli elettroni
periferici degli atomi costituenti il metallo siano stabilmente
collegati ai rispettivi nuclei atomici, ma che alcuni di essi
possano trasferirsi da un atomo ad un altro (corrente di
conduzione).
In assenza di forze applicate, questi elettroni liberi hanno
un movimento disordinato, dovuto all'agitazione termica; tale
movimento è definito dal libero cammino medio, cioè dalla
media dei percorsi che gli elettroni compiono fino ad urtare gli
ioni metallici, che sono in posizione fissa e ben definita.
In presenza di forze ad essi applicate, gli elettroni saranno
sollecitati ad assumere un movimento di insieme, caratterizzato
da una certa velocità media: avremo quindi una corrente
elettrica.
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Le forze applicate possono essere sia di origine elettrica
(cioè tali da agire sulle cariche elettriche), che di altra origine
(cioè tali da agire sul supposto materiale delle cariche stesse).
Il numero degli elettroni liberi è dell'ordine del numero
degli atomi. La loro velocità media, anche nel caso di forti
densità di corrente (si ricorda che la densità è il rapporto fra
intensità di corrente e l’unità di sezione del conduttore) è
stimata in pochi centimetri al secondo.
2. La corrente elettrica negli elettroliti si concepisce come
movimento di ioni, ossia di cariche elettriche associate a
materia (corrente di convezione).
La proprietà di un elettrolita di lasciarsi attraversare dalla
corrente proviene dal fatto che una parte delle sue molecole è
dissociata. Ad esempio, in una soluzione di cloruro di sodio,
NaCl, una parte delle molecole è dissociata in ioni Na+,
portanti una carica positiva, e ioni CI-, portanti una uguale
carica negativa.
La carica di questi ioni, monovalenti, è ancora quella
dell'elettrone, cioè 1,60*10-19 Coulomb.
Se la soluzione è di un sale di metallo bivalente, per
esempio solfato di rame, CuS04, gli ioni Cu++ ed altrettanto
quelli S04--, portano due cariche elementari; in ogni caso,
comunque, vale la
seconda legge di Faraday (il numero di cariche associate allo
ione corrisponde alla valenza).
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Se un recipiente contenente una soluzione elettrolitica fa
parte di un circuito percorso da corrente, la quantità di
elettricità che attraversa, in un certo tempo, una sezione del
circuito è eguale alla somma delle cariche trasportate dagli
ioni.
Quando essi raggiungono gli elettrodi, cedono la corrispondente carica elettrica e possono:
• depositarsi su di essi o
• reagire con gli stessi o
• liberarsi sotto forma gassosa.
Prima legge di Faraday
Il peso di elettrolita decomposto, quindi anche il peso di
sostanze che si sviluppano in corrispondenza di ciascun
elettrodo, è direttamente proporzionale alla quantità di
elettricità che ha attraversato la soluzione.
Elettroliti: sono quelle sostanze che, sciolte in acqua sono
in grado di condurre la corrente elettrica.
Elettrolisi: fenomeno che si verifica in una soluzione
attraversata da corrente elettrica, per il quale gli ioni positivi
della soluzione si accumulano verso il catodo e gli ioni negativi
verso l’anodo.
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Terza legge di Faraday
Gli equivalenti elettrochimici sono proporzionali agli
equivalenti chimici.
3. La corrente elettrica nel vuoto si manifesta solo come
moto di particelle dotate di cariche elettriche, fornite da
opportune sorgenti (ad esempio elettroni emessi da un
filamento per effetto termoelettronico).
4. La corrente elettrica nei gas si presenta con
caratteristiche diverse, in funzione della pressione.
Quando questa è estremamente bassa, la conduzione
avviene come indicato per il caso limite teorico del vuoto
perfetto.
Quando la pressione è più elevata, gli elettroni presenti
nell'ambiente possono, venendo a collisione con molecole
neutre del gas, dare origine a ioni gassosi e nuovi elettroni.
Alla corrente elettronica si sovrappone allora una corrente
ionica, ed il passaggio di elettricità può mantenersi
indipendentemente dal rifornimento esterno di elettroni.
5. La corrente elettrica negli isolanti è chiaramente
assente, in quanto nei materiali da considerare come isolanti
(per l'assenza quasi completa di cariche libere), le forze che
agiscono sulle cariche elettriche non provocano apprezzabile
movimento di insieme delle stesse.
Isolante perfetto è lo spazio vuoto, in assenza di cariche
libere.
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Tutti gli altri isolanti (gassosi, liquidi, solidi) sono tali in
modo più o meno spiccato, e questa loro qualità è comunque
subordinata al fatto che le forze agenti sulle cariche non
superino determinati valori.
6. La corrente elettrica nei semiconduttori si presenta
con caratteristiche diverse a seconda della temperatura, infatti i
semiconduttori si comportano come isolanti a bassa
temperatura, ma possono, già alla temperatura ordinaria, essere
interessati da una debole conduzione elettrica dovuta al moto di
elettroni che si rendono liberi per la rottura, a causa
dell’agitazione termica, dei corrispondenti legami di valenza.
Questo comportamento è tipico di alcuni elementi
tetravalenti, ad esempio il germanio e il silicio.
7. Le cariche statiche (ad esempio quelle che si possono
produrre per strofinamento di un bastone di vetro) se sono
trascinate meccanicamente in movimento, insieme al loro
supporto, determinano una corrente elettrica.
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