La corrente elettrica

La corrente elettrica
Lezioni d'Autore
Misura e definizione di 'ampere' (I)
VIDEO
Misura e definizione di 'ampere' (II)
La scoperta nel 1820 degli effetti magnetici di
un filo percorso da corrente aprì la possibilità
di ricondurre l’intensità di una corrente a
misure di forze e momenti.
L’interazione tra fili percorsi da corrente e
magneti, nei galvanometri ottocenteschi e di
gran parte del Novecento, era misurata
attraverso il movimento di una parte mobile,
smorzata dall’aria o da correnti indotte.
Misura e definizione di 'ampere' (III)
Galvanometro a specchio:
un filo di seta verticale, su
cui è fissato un piccolo
specchio, ha alle sue
estremità due magneti che
interagiscono con le correnti
che attraversano le bobine.
La torsione del filo è
misurata attraverso lo
spostamento angolare dello
specchio (osservato con un
piccolo cannocchiale)
Misura e definizione di 'ampere' (IV)
Cannocchiale e scala, introdotto da J. C.
Poggendorff, per la misura degli angoli di
rotazione della parte mobile di
galvanometri, magnetometri e altri
strumenti ottocenteschi dotati di specchio.
L’immagine della scala riflessa nello
specchio e un cannocchiale di una decina
di ingrandimenti, posto alla distanza di un
metro dallo strumento elettrico,
permetteva di valutare angoli di 10’’.
Misura e definizione di 'ampere' (V)
Bilance di precisione
garantivano inoltre,
come nel caso del
sistema ideato da
John William Strutt
Rayleigh, vedi a sn,
di confrontare la
forza
elettrodinamica tra
bobine percorse da
corrente e il peso di
masse tarate,
secondo espressioni
del tipo: mg=kI2,
con k costante del
sistema che dipende
dalle caratteristiche
geometriche delle
bobine.
Misura e definizione di 'ampere' (VI)
La progressiva astrazione di tali procedimenti ha portato oggi alla
presentazione classica (dei musei della Scienza o dei testi liceali)
dei fili rettilinei (molto lunghi rispetto alla loro distanza) percorsi
da corrente.
Interazione tra
fili percorsi da
corrente
Misura e definizione di 'ampere' (VII)
Se i fili collegati a una pila sono attraversati da correnti aventi lo
stesso verso si attraggono, nel caso di correnti opposte, si
respingono. L’intensità della forza esercitata, in un tratto di filo
lungo l, è posta uguale a: F=0I1I2l/2d.
Misura e definizione di 'ampere' (VIII)
La definizione dell’unità di corrente segue allora
immediatamente, ponendo tutti i valori delle
grandezze a destra dell’uguaglianza pari a 1 e
fissando la costante
0/2=2 10-7 N/A2.
L’ampere è l’intensità di corrente elettrica
costante che, mantenuta in due conduttori
rettilinei, di lunghezza infinita, di sezione
trascurabile, situati a un metro l’uno dall’altro
nel vuoto, produrrebbe, tra gli stessi conduttori,
una forza di 2 10-7N a metro di lunghezza.
Un multimetro quantistico (I)
Una pila ricaricabile, come
quella dei telefonini, riporta il
valore della carica
caratteristica del generatore
in mAh (equivalente a 3,6
As).
Batteria ricaricabile al litio da 3,7 V e
1100 mAh
Un multimetro quantistico (II)
Il legame semplice I=Q/t (nel caso di I
costante) tra corrente I e carica Q nel
caso di una cella elettrolitica (che
riconduce la carica alla massa attraverso
la legge di Faraday) potrebbe essere
utilizzato, come è avvenuto per la prima
definizione internazionale di ampere, per
il campione dell’intensità di corrente.
In tal modo la riproducibilità delle misure
avrebbe però una precisione
notevolmente inferiore a quelle tipica
delle bilance elettrodinamiche (10 ).
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Un multimetro quantistico (III)
Le misure elettriche inoltre, grazie allo studio
dei fenomeni quantistici alle basse
temperature (effetto Josephson ed effetto
Hall quantistico), hanno permesso di
adottare nei principali laboratori metrologici
campioni pratici di tensione e di resistenza
con una precisione di almeno 10 .
L’idea di combinare i due effetti quantistici
per realizzare un unico circuito per la misura
di I è della metà degli anni ottanta.
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Un multimetro quantistico (IV)
Nella figura
accanto è
rappresentata la
realizzazione
della definizione
di ampere ridotta
alla misura del
valore esatto
della carica
elementare.
Schema di principio dell’apparato di misura della corrente I
che utilizza gli effetti Josephson e Hall quantistico
Un multimetro quantistico (V)
La corrente attraversa una resistenza di Hall R
e provoca una caduta di tensione R I, essa è
confrontata, attraverso un rilevatore di zero,
con la tensione V di una serie di giunzioni di
Josephson irradiate con microonde di
frequenza f.
H
J
Sapendo che V =nfh/2e e che R =hi/e , con i e
n numeri interi, combinando i due effetti, in
linea di principio l’espressione: I=nife/2,
permetterebbe la determinazione dell’ampere
in funzione della carica elementare, e, della
frequenza, f, realizzando una specie di
conteggio indiretto degli elettroni che
attraversano il filo conduttore.
j
H
2
H
Un multimetro quantistico (VI)
Negli ultimi anni la
realizzazione di dispositivi
a singolo elettrone (SET)
ha permesso di contare
direttamente i singoli
elettroni.
Il completamento del
triangolo quantistico
metrologico di campioni
pratici per le principali
grandezze elettriche e per
la definizione di I, è oggi
uno degli obiettivi della
ricerca.
Effetti quantistici e misura delle principali grandezze
elettriche: il triangolo metrologico
I dispositivi a singolo elettrone e la nuova
definizione di ampere (I)
I dispositivi a singolo elettrone (SET), basati
su giunzioni a tunnel, sono stati realizzati
grazie alle nanotecnologie che permettono
ormai di costruire transistor su scala
microscopica dell’ordine del micrometro.
La più semplice idea per la realizzazione di
una intensità di corrente standard è quella di
creare un sistema capace di controllare a
una determinata frequenza il trasporto di
singoli elettroni. In tal caso, la corrente I si
riduce al prodotto della carica elementare
per la frequenza: I=ef.
I dispositivi a singolo elettrone e la nuova
definizione di ampere (II)
Un dispositivo SET
permette di contare i
singoli elettroni e di
definire una intensità
di corrente come il
prodotto della carica
elementare per la
frequenza della
tensione utilizzata
per il passaggio degli
elettroni stessi
I dispositivi a singolo elettrone e la nuova
definizione di ampere (III)
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Altri video
VIDEO La corrente elettrica RaiScuola
VIDEO Esperimenti con banco di
Ampere
VIDEO Closing the metrological triangle
with a superconducting nanowire
FINE
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