Corrente elettrica e circuiti elettrici
La corrente elettrica
Come già detto nell'atomo i protoni
hanno una carica elettrica di segno
positivo e gli elettroni di segno
negativo. Questi ultimi inoltre non
sfuggono alle loro orbite ellittiche a
causa dell'attrazione su di essi
esercitata dai protoni, che essendo
in numero pari a quello degli
elettroni fanno si che l'atomo, in
condizioni normali, sia in equilibrio
elettrico.
L’elettricità quindi non é altro che la “colla” che tiene insieme l’atomo e
poiché tutta la materia esistente é composta di atomi tutti i corpi dell’Universo
possiedono elettricità. Tuttavia ogni atomo si presenta elettricamente neutro,
poiché il numero dei protoni (+) è uguale al numero del elettroni (-).
Un atomo di rame è costituito da un nucleo
contenente 29 protoni (+) e 29 neutroni
(=), circondato da un guscio di 29 elettroni
(-). Nel suo insieme l’atomo è neutro.
Esistono comunque vari tipi di elettricità: la statica, cioè quella
concentrata sulla superficie dei corpi sottoposti a strofinio, la
dinamica, cioè quella che attraversa i corpi ed in particolare i
conduttori elettrici, e la vibrante, cioè quella che, mediante rapide
vibrazioni di speciali conduttori, produce onde elettromagnetiche che
si propagano nello spazio.
La corrente elettrica
Come dice la parola stessa, corrente e' qualcosa che scorre, che fluisce. La
corrente elettrica e' un movimento continuo di cariche elettriche elementari,
cioè un flusso ordinato di elettroni, che ha luogo all'interno di alcuni materiali.
I materiali, proprio perchè permettono agli elettroni liberi di spostarsi da un
atomo ad un altro e alle cariche di distribuirsi lungo tutto il corpo e alla
corrente di attraversarli, vengono definiti conduttori. Altri materiali, attraverso
i quali la corrente non riesce a passare perché gli elettroni si muovono con
lentezza e di conseguenza le cariche tendono a rimanere localizzate dove sono
state prodotte, vengono definiti isolanti.
etroina
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Corrente elettrica e circuiti elettrici
I materiali possono essere così suddivisi:
buoni conduttori sono i metalli (ad esempio il rame, l'argento e l'alluminio,
che vengono usati per costruire i cavi elettrici), i gas ionizzati (come quelli
presenti all’interno dei tubi fluorescenti), le soluzioni elettrolitiche (acqua e
sale) ed i tessuti organici, vale a dire il nostro corpo (purtroppo anche noi
siamo dei conduttori!);
conduttori meno buoni, isolanti deboli sono il legno e la carta;
buoni isolanti come le ceramiche, il vetro, il marmo, la porcellana;
isolanti buonissimi come l’ambra, la gomma.
Da cosa dipende il diverso comportamento delle cariche nei conduttori e negli
isolanti?
Le cariche elettriche non presentano sempre una distribuzione uniforme: negli
isolanti sono generalmente distribuite sia sulla superficie sia all’interno, nei
conduttori si distribuiscono tutte sulla superficie esterna. Se un conduttore è
cavo, le cariche si distribuiscono tutte sulla superficie esterna.
Se la superficie esterna di un conduttore è regolare, esse si distribuiscono in
modo uniforme; se la forma è irregolare, si addensano soprattutto sugli spigoli
e sulle punte.
Prima di rispondere, cerca e sottolinea nel testo le frasi utili.
Che cos’è un conduttore? Che cos’è un isolante? Come si distribuiscono le
cariche in un conduttore cavo? E in un conduttore a punta?
I fenomeni di cui ci siamo occupati finora riguardano cariche elettriche che
rimangono pressoché ferme sulla superficie di un corpo.
Cerchiamo ora di capire le cariche in movimento e per comprendere la
differenza tra elettricità e corrente elettrica immaginiamo di ingrandire
fortemente un filo di rame, per vedere, in modo schematico, cosa accade al
suo interno.
Il filo di rame è formato dai nuclei
degli atomi (pallini bianchi), ognuno
dei quali va immaginato con il suo
guscio di 28 elettroni + 1 elettrone
libero.
Per semplicità è disegnato il solo
elettrone libero che si sposta in qua
ed in là intorno ai vari nuclei di
rame; vedremo tra breve che è lui,
insieme con gli altri elettroni liberi
presenti nel filo, il responsabile della
corrente elettrica:
in un filo di rame lungo 1 metro e di
diametro 0,3 millimetri ci sono circa 500 milioni di miliardi di elettroni liberi!
Ma in questa situazione non accade nulla, non c’è corrente.
La quantità di elettricità
La quantità di elettricità (simbolo Q) dovrebbe essere la carica elementare
posseduta dall'elettrone. Tuttavia poiché essa é troppo piccola per essere
etroina
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usata praticamente, si impiega il coulomb (simbolo C) definito come la carica
di 6,2 x 1018 elettroni.
Colleghiamo ora il filo di rame con
un generatore di corrente (pila) e
con un apparecchio utilizzatore
(lampadina): in altre parole, adesso
il filo è inserito in un circuito
elettrico. Come vediamo nella parte
centrale,
fortemente
ingrandita,
l'elettrone libero si muove a zig zag
verso il morsetto positivo della pila,
dal quale viene attratto. Dentro la
pila c'è infatti uno squilibrio di
cariche, con gli elettroni accumulati
presso il morsetto negativo (-) e le
cariche positive accumulate presso il morsetto positivo (+).
Miliardi di elettroni liberi, come quelli del disegno, si muovono verso il morsetto
positivo da cui vengono come «aspirati»; il loro posto viene occupato dagli
elettroni che escono dal morsetto negativo, da cui vengono come «pompati».
Si ha così un movimento circolare di elettroni liberi, cioè una corrente elettrica.
Una curiosità. Mentre circola la corrente, ogni elemento conserva le proprie
caratteristiche senza consumarsi. Infatti la corrente è solo un trasferimento di
cariche elettriche, senza trasferimento di materia. In altre parole, tutti gli
atomi del generatore, del filo conduttore e della lampada restano alloro posto,
e si muovono solo gli elettroni liberi.
La corrente elettrica è determinata da un movimento di cariche, tutte dello
stesso segno, gli elettroni, che si muovono in modo ordinato, sempre nello
stesso verso, attraverso un conduttore. Il movimento degli elettroni ha
bisogno di un dislivello,
la differenza di carica
elettrica esistente alle due
estremità del conduttore.
Il flusso di carica elettrica
é quello dall'estremo del
conduttore con eccesso di
cariche negative, indicato
come polo negativo (-), a
quello con eccesso di
cariche positive, detto
polo positivo (+), ma per
convenzione si é stabilito
che esso sia opposto, cioè
dal polo positivo a quello
negativo.
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Corrente elettrica e circuiti elettrici
Approfondimento: Il verso convenzionale della corrente elettrica
Hai visto che la corrente elettrica consiste in un flusso di elettroni che va dal catodo (o polo
negativo) all'anodo (o polo positivo).
Devi però tener presente che la scoperta
dell'elettrone fu compiuta alla fine del XIX
secolo, mentre l'invenzione della pila da parte
di Alessandro Volta avvenne nel XVIII secolo.
Poiché i fisici del primo '800 non conoscevano
ancora la struttura elettrica della materia,
essi ipotizzarono che la corrente elettrica
fosse dovuta al movimento di cariche
positive. Tutte le leggi che vennero enunciate
in seguito si fondarono su questo presupposto, per cui, per convenzione, ancora oggi
si usa dire che la corrente elettrica consiste in
un flusso di cariche positive dall'anodo (+) al
catodo (-).
Quanto più grande è la differenza di potenziale tra i due corpi, tanto maggiore
è la quantità di corrente che attraversa il conduttore che li collega.
Il circuito elettrico
Il circuito elettrico è un percorso chiuso in cui circola corrente elettrica,
costituito dall'insieme degli apparecchi elettrici e dei loro collegamenti,
destinati a essere attraversati dalla corrente. I componenti di un circuito
elettrico sono:
il generatore di corrente, che può essere l'alternatore, la pila o l'accumulatore;
gli apparecchi utilizzatori, come la lampada, il frullatore elettrico, il ferro da
stiro,cioè gli apparecchi che trasformano la corrente in altra forma di energia;
i fili conduttori, che collegano il generatore agli apparecchi utilizzatori e che
trasportano la corrente elettrica;
gli interruttori, che interrompono oppure lasciano passare la corrente elettrica.
Sono in genere una lamina di metallo posta ai due capi del circuito, che si
solleva per interrompere il circuito, si abbassa per chiudere il circuito e far
passare la corrente elettrica.
Prima di rispondere, cerca e sottolinea nel testo le frasi utili.
Quali parti formano un circuito elettrico? Che cos’è un utilizzatore? Che cos’ è
l’interruttore e come funziona?
Esperimento: costruiamo un circuito elettrico
Per tutti gli esperimenti con l'elettricità dovrai usare, come generatori di
corrente elettrica, le pile che, con il loro basso voltaggio, generalmente 4,5volt,
non procurano rischi. Come conduttori usa fili di rame ricoperti di plastica
isolante; togli con un coltellino un po' del rivestimento, attorciglia tra loro i fili
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di rame, effettua il collegamento e ricopri poi con nastro isolante.
Si possono anche usare componenti elettrici muniti di attacchi a vite e morsetti
di congiunzione a vite o a molla (teste di coccodrillo); con questi morsetti avrai
collegamenti, più affidabili.
Obiettivo: osserviamo le caratteristiche di un circuito elettrico.
Materiale occorrente: una pila, filo di rame, lampadina mignon da 4,5 V,
portalampade mignon, interruttore per lampada da tavolo.
Procedimento: collega la lampadina a due fili di rame, fissa un filo a un
elettrodo della pila e il secondo filo all'altro elettrodo. Che cosa accade?
In un circuito elettrico sono presenti un generatore, ad
esempio una pila, il conduttore, filo di rame, un
utilizzatore, la lampadina, l'interruttore.
Inserisci ora l’interruttore e collega le due estremità del conduttore alla pila.
Conclusioni: quando il circuito è chiuso la corrente passa e la lampadina si
accende. Quando il circuito è aperto la corrente non passa e la lampadina non
si accende.
Tipologia di circuiti elettrici: circuiti in serie e in parallelo
Esistono due tipi di circuiti profondamente diversi tra loro: quello in serie e
quello in parallelo.
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Gli utilizzatori di un circuito, per
esempio le lampadine, possono essere
collegati sia in serie che in parallelo,
come si può notare in figura.
Nel caso del collegamento in parallelo
(B) le lampadine sono più luminose;
infatti, ognuna fruisce di un'uguale
tensione.
Nel collegamento in serie (A) lo stesso
valore di tensione va
suddiviso fra
tutte le lampadine. Nel collegamento in
serie infatti, la tensione occorrente per
far
accendere
normalmente
le
lampadine è uguale alla somma delle
tensioni di ciascuna lampadina. Inoltre,
in un collegamento in serie, se un
utilizzato si guasta (per esempio una
lampadina si
brucia) si interrompe il circuito e anche
gli altri utilizzatori si spengono. Questo
inconveniente, invece, non si verifica
per il collegamento in parallelo.
Per tali motivi, nelle abitazioni si usano
impianti elettrici con collegamenti in
parallelo. Si ha così la possibilità di
spegnere
una
lampada
indipendentemente dalle altre, mentre
ciò non sarebbe possibile con un
collegamento in serie.
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Corrente elettrica e circuiti elettrici
Circuito in serie
È quello nel quale gli utilizzatori si susseguono su di un unico conduttore
(lampadine dell'albero di Natale) e l'avaria di uno di essi compromette l'intero
circuito.
Circuito in parallelo
È formato da un conduttore, detto primario, dal quale si dipartono una serie di
altri conduttori cui sono collegati i singoli utilizzatori. In tal caso il guasto di
uno di essi é ininfluente.
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Corrente elettrica e circuiti elettrici
Si possono avere collegamenti in serie e in parallelo anche dei generatori, le
pile.
Usando
più
pile,
collegate una all'altra tra
polo positivo e polo
negativo, otterremo un
collegamento in serie.
Se invece colleghiamo fra loro tutti i poli positivi e tutti i poli negativi, la
luminosità della lampadina non verrebbe aumentata, ma rimarrebbe invariata
poiché invariato è il valore della tensione (4,5 V). Questo collegamento in
parallelo assicura tuttavia una maggiore durata nell'erogazione della corrente
elettrica.
Prima di rispondere, cerca e sottolinea nel testo le frasi utili.
Quando si ha un collegamento in serie degli utilizzatori? Quando in parallelo?
Quando si ottengono collegamenti in serie e in parallelo dei generatori di
corrente?
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Corrente elettrica e circuiti elettrici
Tre grandezze importanti
In un circuito elettrico sono presenti tre grandezze principali, meglio conosciute
con le rispettive unità di misura: gli ampere (A), i volt (V), gli ohm (D). Queste
grandezze sono legate tra loro.
La differenza di potenziale o tensione elettrica
Per chiarire il concetto di forza elettromotrice ricorriamo all'esempio di un
circuito idraulico: un circuito elettrico assomiglia ad un circuito idraulico, e da
esso partiremo per spiegare il funzionamento della corrente.
Immaginiamo di avere due recipienti vuoti collegati tra di loro attraverso un
tubo uscente dal loro fondo e munito di una valvola che inizialmente é chiusa
ed impedisce la comunicazione tra i due recipienti. Versiamo poi in uno di essi
dell'acqua fino a riempirlo completamente ed apriamo quindi la valvola.
L'acqua scorrerà nel tubo dal
recipiente pieno a quello vuoto
a causa dell'energia potenziale
(peso) posseduta e tale flusso
continuerà finché il suo livello
non sarà lo stesso nei due
recipienti, cioè fino a quando ci
sarà una differenza di energia
potenziale tra le masse d'acqua.
Il dislivello tende ad annullarsi a
causa del flusso della corrente
d’acqua.
Inseriamo adesso una pompa, che avrà l’effetto di mantenere la differenza di
livello tra i due recipienti.
Se ora, ritornando al campo elettrico, sostituiamo il recipiente ed il tubo con
un conduttore e l'acqua con le cariche elettriche potremo meglio comprendere
il concetto di differenza di potenziale.
Il circuito elettrico funziona in
modo
analogo
a
quello
idraulico. La corrente elettrica,
che consiste in un movimento
di elettroni, scorre dentro il filo
conduttore perché ai suoi capi
A e B c'è un «dislivello
elettrico», o per essere più
precisi, una tensione elettrica.
La dinamo, che viene tenuta in
rotazione, mantiene il dislivello
elettrico ai capi del filo, cioè ha
la stessa funzione della pompa
nel circuito idraulico. Gli elettroni si spostano naturalmente dal polo in cui sono
presenti in maggiore quantità (-), a quello in cui ve ne sono meno (+). La
dinamo provvede poi a riportarli dal polo positivo a quello negativo, in modo
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Corrente elettrica e circuiti elettrici
che possano rifare il giro del circuito.
Il flusso di elettroni della corrente elettrica, come abbiamo visto, si ha soltanto
se tra le estremità del conduttore esiste quella che si definisce una differenza
di potenziale elettrico o tensione. Quanto più grande è la differenza di
potenziale agli estremi di un conduttore, tanto maggiore è la quantità di
corrente che lo attraversa. E la differenza di potenziale sarà tanto maggiore
quanto maggiore sarà la forza che spinge gli elettroni. Questa forza si chiama
tensione elettrica e si misura con il voltmetro. La sua unità di misura è il volt
(simbolo V), il cui nome deriva da quello del famoso fisico italiano Alessandro
Volta (1745-1827).
Il voltmetro è lo strumento che misura la differenza di
potenziale o tensione elettrica tra due poli di un
generatore di corrente elettrica.
Completa le frasi:
La corrente elettrica è determinata da un flusso di ____________ che si
muovono in ____________. Si definisce differenza di potenziale la differenza
di ____________ tra due corpi e tale differenza dipende dalle ____________.
La forza che spinge gli elettroni a percorrere un conduttore è la
____________ e si misura in ____________ pertanto la corrente elettrica si
determina dalla differenza di ____________.
L’ intensità di corrente elettrica
Immaginiamo di essere sul bordo di un'autostrada per misurare l'intensità del
traffico in quel punto: usando come traguardo una linea immaginaria,
trasversale alla corsia, conteremo il numero di autoveicoli che la oltrepassano
in un certo intervallo di tempo. Con lo stesso metodo possiamo misurare
l'intensità della corrente elettrica, che consiste nello spostamento di elettroni
liberi all'interno di un circuito.
Come la quantità d'acqua che nell’unità di tempo attraversa una sezione di un
tubo si chiama «portata» e si misura in metricubi (m3), e la portata d’acqua
aumenta in relazione alla sezione del tubo e al dislivello ai capi del tubo, cosi
la quantità di elettroni che nello stesso tempo attraversa una sezione di un
conduttore si definisce intensità della corrente elettrica se la quantità di
corrente si esprime in coulomb ed il tempo in secondi.
Intensità di corrente elettrica = quantità di elettricità/tempo
L’unità di misura della intensità di corrente elettrica è l’ ampere (simbolo A),
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Corrente elettrica e circuiti elettrici
dal nome del fisico francese André Marie Ampère (1775-1836) e si misura con
gli amperometri e, per piccole intensità, con i galvanometri.
L’amperometro è lo strumento che misura l’intensità della corrente
elettrica.
Prima di rispondere, cerca e sottolinea nel testo le frasi utili.
Che cosa si intende per intensità di corrente elettrica? Qual è la sua unità di
misura? Che cos’è un galvanometro?
E' importante osservare che la corrente che scorre all'interno di un corpo, non
e' qualcosa che viene dall'esterno: ogni corpo e' fatto di atomi, e sono proprio
gli elettroni degli atomi che, per effetto di una forza applicata dall'esterno
(chiamata forza elettromotrice o tensione o differenza di potenziale),
cominciano a spostarsi da un atomo all'altro, dando origine al flusso di cariche
chiamato corrente elettrica.
La corrente elettrica può essere debolissima, come quella che, all'interno degli
organismi viventi, trasmette gli impulsi nervosi; può essere abbastanza forte,
come quella che accende la lampadina della nostra stanza, e può essere
fortissima, come quella che fonde i metalli in un altoforno o fa camminare un
treno a 150 km all'ora.
Sappiamo bene che oggi senza la corrente elettrica si fermerebbe tutto. Dove
troviamo la corrente in casa nostra? Naturalmente nelle prese, le comunissime
prese di corrente. Occorre però fare una precisazione: nelle prese non c'e' la
corrente, ma c'e' la tensione, ovvero quella forza che spinge gli elettroni a
muoversi, dando origine alla corrente. Questa forza ha un valore ben preciso,
che si indica con un numero, abbinato ad una unità di misura: il volt; così
come diciamo che Elisa e' alta 168 centimetri, possiamo dire che la tensione
disponibile nelle prese di casa nostra misura 220 volt.
Osservando bene una presa, vedremo
che in essa ci sono tre fori:
trascuriamo per il momento il foro
centrale, che ha solo una funzione di
sicurezza, e parliamo dei due fori
laterali.
La forza elettromotrice, o tensione, di 220 volt, e' presente tra i due fori.
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Corrente elettrica e circuiti elettrici
Per semplificare, possiamo immaginare che in uno dei fori sia presente la forza
che serve a spingere le cariche elettriche e che l'altro serva solo per ricevere le
cariche che hanno terminato il loro percorso utile e se ne vanno.
La tensione presente sulla presa, non produce alcun effetto finché niente vi
viene inserito; nel momento in cui vi inseriamo una spina, per esempio la spina
di una lampada, non facciamo altro che creare un collegamento tra il foro che
spinge e quello che risucchia: nel filo della lampada comincia a scorrere una
corrente elettrica, che ha come effetto l'accensione della lampadina. In figura 1
e' stato evidenziato con un tratto continuo tutto il percorso seguito dalla
corrente, supponendo che essa si sposti nel verso indicato dalle piccole frecce
bianche. Si vede che la corrente esce dal foro della presa contrassegnato col
numero 1, percorre il filo di collegamento ed arriva alla lampadina. Il punto di
contatto tra il filo e la lampadina e' rappresentato in questo caso dalla parte
filettata, o torso, indicata con T; il torso e' a sua volta collegato col filamento e
così, come si vede in figura, la corrente prosegue il suo percorso,
attraversando il filamento della lampada (che si accende) ed uscendo dall'altro
punto di contatto, rappresentato dal bottone metallico situato sul fondo della
lampadina, indicato con C. Da qui la corrente, percorrendo il filo di ritorno,
arriva nuovamente alla presa, dove entra nel foro numero 2 e se ne va.
La resistenza elettrica
Abbiamo visto che la corrente scorre per effetto di una forza detta
elettromotrice o tensione; c'e' però qualcosa che contrasta di più o di
questa forza e tende a frenare lo scorrere degli elettroni: questa
frenante, che dipende dalla natura del materiale attraversato, viene
resistenza elettrica.
forza
meno
forza
detta
E' bene adesso spendere qualche parola sulla lampadina: come mai alcune
lampade fanno tanta luce ed altre ne fanno molto poca, pur essendo tutte
ugualmente collegate alla stessa presa dove, abbiamo visto, ci sono 220 volt?
La spiegazione risiede nella quantità di corrente che passa nella lampadina.
Quelle che fanno poca luce vengono attraversate da poca corrente; quelle che
fanno molta luce vengono attraversate da una corrente più forte.
Maggiore e' questa resistenza e minore e' la corrente che riesce a passare
(abbiamo visto che in certi materiali, detti isolanti, la corrente non passa per
niente). Le lampadine che fanno più luce sono costruite in modo tale che il
loro filamento, cioè quel filo che si scalda e diventa incandescente, abbia una
resistenza bassa e possa quindi far passare più corrente. Questo risultato si
può ottenere in vari modi:
si può usare un materiale che per sua natura abbia una minore resistenza
elettrica e quindi presenti una maggior attitudine ad essere attraversato
dalla corrente
scelto un certo materiale, si può usare un filo più grosso: più e' grosso il
filo, maggiore e' la corrente che riesce a passare
si può fare in modo che la lunghezza del filo sia minore: più corto e' il filo,
più corrente passa.
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Corrente elettrica e circuiti elettrici
Due conduttori fatti con lo stesso materiale, ma di
lunghezza diversa, offrono una diversa resistenza: il più
corto avrà una resistenza minore del più lungo e quindi
la lampadina collegata avrà una maggiore luminosità.
Se il diametro del conduttore è maggiore, la resistenza è minore, l’intensità di corrente aumenta e quindi la
lampadina è più luminosa.
Ritornando sempre al circuito idraulico esemplificativo, l'acqua che scorre nel
tubo é frenata dall'attrito con le pareti e tale ostacolo é tanto maggiore quanto
minore é il diametro del tubo stesso e quanto più lungo é esso. Anche il flusso
di elettroni che attraversa un conduttore incontra un simile impedimento, che
é detto resistenza elettrica, e la cui intensità dipende dalla sezione e dalla
lunghezza del conduttore e dal materiale di cui esso é costituito. In particolare
la resistenza, la cui unità di misura é l'ohm (simbolo Ω), é tanto maggiore
quanto più lungo é il conduttore e quanto minore é la sua sezione. Inoltre
alcuni materiali, detti conduttori, oppongono un piccolo ostacolo al flusso
degli elettroni mentre altri, detti isolanti, ne impediscono quasi del tutto il
movimento.
Tra ohm, ampere e volt esiste poi una relazione, detta Prima legge di Ohm
(fisico tedesco), in base alla quale «la differenza di potenziale (V), agli estremi
di un conduttore percorso dalla corrente elettrica, é proporzionale all’intensità
di corrente (I) ed alla resistenza (R)». Tale legge é espressa dalle formule:
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Corrente elettrica e circuiti elettrici
Il passaggio degli elettroni attraverso un conduttore di un circuito trova
sempre un ostacolo, una resistenza al loro movimento. La resistenza elettrica è
la difficoltà maggiore o minore che un conduttore oppone al passaggio della
corrente elettrica. L’unità di misura della resistenza elettrica è l’ohm (Ω), che
equivale alla resistenza di un conduttore al passaggio di 1 ampère (A) di
corrente ed abbia agli estremi la tensione di 1 volt (V).
Riepilogando possiamo dire che:
Un materiale può essere attraversato da corrente se e' conduttore.
La corrente che passa in un materiale dipende da due fattori:
1- dalla forza elettromotrice, o tensione, applicata
2- dalla resistenza del materiale
Con riferimento ad un conduttore di determinate dimensioni, se indichiamo con
V la tensione applicata, con I la corrente che attraversa il conduttore e con R la
sua resistenza, possiamo esprimere matematicamente la relazione che esiste
fra le tre grandezze. In pratica questo vuol dire che conoscendo il valore di due
delle tre grandezze in gioco, e' possibile calcolare la terza.
Esercizio: se ho un utilizzatore la cui resistenza R e' di 44 ohm e lo collego ad
una tensione V di 220 volt, posso dire subito che nel mio utilizzatore passerà
una corrente di 5 ampere, perché? 220/44 dà come risultato 5.
Completa le frasi
La resistenza elettrica è la maggiore o minore _____________ che un
conduttore oppone al passaggio _____________.
L’unità di misura della resistenza è _____________ che rappresenta la
resistenza che un conduttore oppone al passaggio di _____________
di
corrente quando ai suoi estremi vi è la tensione di _____________
In un circuito con due conduttori fatti con lo stesso materiale, ma uno più
lungo e uno più corto, il primo offre una resistenza _____________ al
passaggio del secondo. Se invece i due conduttori sono uno più grosso e uno
più sottile, il primo offre una resistenza _____________
al passaggio della
_____________
Una lampadina ha resistenza di 6 ohm. Qual è la differenza di potenziale da
applicare perché l’intensità della corrente assorbita dalla lampadina sia di 2
ampére?
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Corrente elettrica e circuiti elettrici
Qual è l’intensità di corrente necessaria per far funzionare una stufa elettrica,
se la sua resistenza è di 40 ohm e la differenza di potenziale di 220 volt?
Qual è la resistenza di un filo conduttore attraversato da una corrente elettrica
di intensità pari a 0,1A, se tra i suoi estremi vi è una differenza di potenziale di
2,5 V?
Quale differenza di potenziale è presente agli estremi di un conduttore avente
la resistenza di 15 ohm, se l’intensità di corrente è di 8 ampére?
Quando una lampada assorbe più corrente di un'altra e quindi fa più luce, si
dice che e' di maggiore potenza: cerchiamo allora di definire esattamente che
cos'è la potenza.
La potenza elettrica e l’energia elettrica
La potenza é il prodotto dell’intensità di corrente, misurata in ampere, per la
tensione, misurata in volt. L’unità di misura della potenza elettrica é il watt
(simbolo W) e suoi multipli sono il chilowatt (simbolo kW), pari a 1.000 watt,
ed il megawatt (simbolo MW), pari a 1.000.000 di watt.
Il prodotto della potenza elettrica (watt) per il tempo (ore) è l’energia elettrica
consumata e la misura di 1 chilowattora (simbolo kWh) corrisponde all’energia
consumata in un'ora da un apparecchio elettrico della potenza di 1.000 watt.
Ad esempio una lampadina da 100 W consuma: 100 wattora (cioè 0,1kWh) se
funziona per 1 ora; 10 wattora (cioè 0,01kWh) se funziona per 6 minuti,
ovvero 1/10 di 1 ora; 300 wattora (cioè 0,3kWh) se funziona per 3 ore.
Per sapere quanta energia elettrica consuma una famiglia (e quindi l’importo
della bolletta bimestrale) non basta dunque conoscere la potenza che assorbe
ogni singolo apparecchio elettrico, occorre anche saper per quanto tempo il
singolo apparecchio è rimasto in funzione.
Esercizio. Osserva una bolletta dell’energia elettrica. Troverai il consumo
espresso in kWh, il numero di ore, la spesa per ogni kWh, le tasse relative e la
spesa totale.
E' intuitivo dire che la potenza dipende dalla corrente assorbita, ma non basta,
perchè se io faccio funzionare la stessa lampada con una tensione più alta,
ottengo una luce ancora più forte (e forse la lampada si brucia). Ciò significa
che per parlare di potenza devo considerare non solo la corrente assorbita, ma
anche la tensione a cui la lampada assorbe una certa corrente: questo porta a
etroina
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Corrente elettrica e circuiti elettrici
concludere che, dal punto di vista numerico, la potenza si calcola moltiplicando
la tensione per la corrente.
Per
chiarire
meglio
quanto
affermato, consideriamo le due
lampadine a lato:
quella a sinistra è una lampadina
per fari di automobili, ed è
progettata per funzionare con la
batteria da 12 volt; quella di
destra è una comune lampada per
l'illuminazione casalinga a 220 V.
Pur essendo diverse nella forma e
nella tensione di funzionamento,
le due lampade sono progettate
per assorbire la stessa potenza di
40 W;
infatti, la prima, collegata alla batteria dell'auto, assorbe una corrente di 3,3A
mentre la seconda, collegata alla presa da 220V, assorbe una corrente di
0,18A.
Esercizio. Calcoliamo la potenza nei due casi:
per la lampada da auto abbiamo P = 12 x 3,3 = 39,6 watt;
per la lampada di tipo domestico abbiamo P = 220 x 0,18 = 39,6 watt.
Come si vede, a parità di potenza, più bassa è la tensione di funzionamento,
più alta è la corrente assorbita.
Tutti i dispositivi che funzionano con la corrente elettrica, sono chiamati
utilizzatori. La nostra casa e' piena di esempi di utilizzatori: frigorifero,
lavatrice, asciugacapelli, televisione, stufe elettriche, tutti i dispositivi di
illuminazione (piantane, lampadari, ecc.) e tanti altri.
Se hai in casa il contatore, una scatola nera con
un disco che gira e che misura l'energia
consumata, vai a vedere come il disco gira con
velocità diverse a seconda degli utilizzatori che
accendete; noterai che girerà piano quando
attacchi un frullatore o un ventilatore, ma girerà
molto più velocemente se attacchi alla corrente
una stufa o il forno elettrico. In pratica la velocità
di rotazione del disco dipende dalla corrente che in
quel momento sta passando negli utilizzatori che
tu hai collegato alla rete elettrica.
Ogni utilizzatore e' caratterizzato da due dati: la tensione di funzionamento e
la potenza che assorbe quando funziona a quella tensione. La tensione di
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Corrente elettrica e circuiti elettrici
funzionamento deve essere assolutamente rispettata, pena la distruzione
dell'utilizzatore stesso; attualmente la tensione nelle nostre case ha il valore
unificato di 220 volt, e quindi e' poco probabile che un utilizzatore venga
collegato ad una tensione errata. La potenza può variare, anche di molto, da
un apparecchio all'altro ed in ogni apparecchio elettrodomestico è sempre
presente una targhetta che indica la potenza massima assorbita:
asciugacapelli
1.500W
Lettore CD
15W
Computer + monitor a colori
300W
Ferro da stiro
750W
Forno elettrico
2.200W
Lampadina ad incandescenza
100W
Lampada al neon
25W
Lavatrice
1.200W
Rasoio elettrico
30W
Radio-registratore
40W
Televisore 21 pollici
100W
Non e' possibile in genere far funzionare in casa utilizzatori di potenza
superiore a circa 3.000W (3kW), altrimenti scatta la protezione di sovraccarico
e si resta al buio. Naturalmente il discorso vale anche per più utilizzatori di
potenza minore, ma fatti funzionare contemporaneamente: una lampada da
100W, accesa mentre si usa un asciugacapelli da 1.500W, e mentre magari ci
si scalda con una stufa da 800W, equivale ad una potenza totale assorbita di
100W+1.500W+800W, e cioè 2.400W.
Una volta era comune trovare nelle case più di una tensione: non solo 220, ma
anche 160 e 110 volt. Qualcuno si divertiva a prendere una lampada del tipo a
160 volt e la collegava a 220. La lampada faceva una bella luce vivida, molto
più bianca e forte di quella normale, ma dopo poche ore era bruciata! Questo
succede perchè, a causa della forza elettromotrice (o tensione) troppo elevata,
nella lampada passa una corrente superiore a quella che il filamento può
sopportare senza distruggersi. Se la stessa lampada fosse stata progettata per
funzionare a 220 volt, il suo filamento sarebbe stato costruito con filo più
sottile e sarebbe stato più lungo, in modo da opporre una maggiore resistenza
alla corrente che cerca di passare sotto la spinta di una tensione più elevata.
etroina
17
Corrente elettrica e circuiti elettrici
Questo ragionamento trova conferma nelle tre formule che abbiamo visto
prima: una di esse ci dice che la corrente e' pari al valore della tensione diviso
il valore della resistenza; e' chiaro quindi che se una lampadina deve
funzionare ad una tensione più alta, deve essere maggiore anche la sua
resistenza. Ma e' possibile calcolare quanto vale la resistenza di un filo?
La resistività elettrica
Certamente, e' possibile calcolare la resistenza di qualsiasi corpo o materiale,
in base alle sue dimensioni ed alla sua composizione chimica e fisica.
Anche la resistenza elettrica si calcola (seconda legge di
Ohm) con una formula
La resistenza di un conduttore rappresenta la sua capacità di opporsi al
passaggio della corrente e si misura in ohm (O). Questa grandezza dipende
innanzitutto dal tipo di materiale impiegato.
etroina
18
Corrente elettrica e circuiti elettrici
Il rame, l'alluminio e l'argento, oppongono una
resistenza molto piccola e sono utilizzati come fili
conduttori.
Invece il tungsteno, il materiale di cui è costituito
il filamento delle lampadine quello delle stufe
elettriche, ha una resistenza molto grande.
La resistenza dipende anche dalla lunghezza del conduttore: così in una stufa
elettrica gli elettroni incontrano meno ostacoli in un filo di tungsteno lungo 20
cm che in uno lungo 2 m.
Infine la resistenza dipende anche dalla sezione del conduttore: più questa è
grande, più ampio è il «tubo» attraverso il quale possono spostarsi gli elettroni
liberi e quindi la resistenza è minore.
La resistenza complessiva di un conduttore dipende pertanto dal materiale di
cui è fatto, dalla lunghezza e dalla sezione. A parità di tensione fornita dal
generatore ai capi di un conduttore è maggiore la sua resistenza complessiva,
è minore l'intensità della corrente che lo attraversa.
Il simbolo ro si indica la resistivita', che identifica una caratteristica fisica
specifica di ciascun materiale: il rame, per esempio, ha una resistività minore
del ferro e quindi e' più adatto a far passare la corrente. Il nichelcromo ha una
resistività elevata, pari a circa 60 volte quella del rame, e così risulta adatto
per la costruzione di resistenze elettriche, cioè apparecchiature che sono utili
proprio perchè presentano una resistenza elevata.
etroina
19
Corrente elettrica e circuiti elettrici
Esercizio.
Calcoliamo la resistenza di un filo di acciaio nichel-cromo avente una sezione di
0,2 mm quadrati e una lunghezza di 10 metri.
Occorre conoscere quanto vale la resistività dell’acciaio nichel-cromo; cercando
in un apposito manuale si trova
resistivita' del nichel-cromo = 1,1 [ohm mm2/m]
il che significa 0,9 ohm di resistenza per ogni metro di lunghezza, quando la
sezione misura 1 millimetro quadrato.
Moltiplicando il valore della resistività (1,1) per la lunghezza del mio filo, 10
(metri) e dividendo per la sezione, 0,2 (millimetri quadrati): ottengo come
risultato 55; siccome e' il valore di una resistenza, diremo 55 ohm.
Analizzando la formula della resistenza dal punto di vista dimensionale si
verifica facilmente che esprimendo la resistività in ohm mm2/m, la lunghezza
in m e la sezione in mm2, si ottiene il valore della resistenza in ohm.
Resistività di alcuni materiali a O °C
Metalli
ρ (Ωm)
Leghe
Argento
Rame
Oro
Alluminio
Sodio
Tungsteno
Zinco
Ferro
Platino
Stagno
Nichel
Piombo
1,5 10-8
1,6 10-8
2,0 10-8
2,6 10-8
4,2 10-8
5,9 10-8
5,5 10-8
9,6 10-8
10 10-8
11 10-8
12 10-8
20 10-8
Manganina
Costantana
Accaio al silicio
Acciaio al ferro-nichel
Acciaio al nichel-cromo
Semi conduttori
45
50
62
80
110
Isolanti
10-8
10-8
10-8
10-8
10-8
ρ (Ωm)
Germanio
Silicio
Bachelite
Porcellana
Vetro
Mica
Paraffina
Quarzo
etroina
ρ (Ωm)
5
103
ρ (Ωm)
109
1011
1012
1014
1016
1016
20
Corrente elettrica e circuiti elettrici
Compiti a casa
Da quali elementi è costituito un circuito elettrico?
Paragona gli elementi di un circuito elettrico con quelli di un circuito idraulico.
Che cos’è la tensione? In che senso si muovono gli elettroni? Qual è il verso
convenzionale della corrente?
Che cos’è l’intensità di corrente e la resistenza? Quali sono le unità di misura
della intensità di corrente, della tensione e della resistenza? Enuncia la prima
legge di Ohm.
Che cos’è la potenza elettrica e con quale unità si misura? Che differenza c’è
tra potenza elettrica ed energia elettrica? Quanta energia consuma una
lampadina da 50W se sta accesa 2 ore?
E’ corretto dire che ogni due mesi, quando arriva la bolletta dell’elettricità,
paghiamo i kilowatt che abbiamo consumato?
Sicurezza
A volte in un impianto elettrico può capitare, per qualche irregolarità di
funzionamento, che la corrente tenda ad acquistare un'intensità troppo
elevata, con il rischio di provocare danni a parti dell'impianto o ad
apparecchiature a esso collegate. Per evitare ciò si inseriscono tra il generatore
e il circuito degli elementi chiamati valvole fusibili, o più semplicemente fusibili
Un fusibile è costituito di un tratto di materiale
conduttore (per esempio piombo) a basso punto di
fusione, fissato a un supporto. Quando l'intensità della
corrente raggiunge un valore tale da riscaldare fino al
punto di fusione il materiale di cui è fatto il fusibile,
questo fonde: allora si interrompe il circuito e la
corrente smette di circolare prima di aver raggiunto
un'intensità eccessiva.
etroina
21
Corrente elettrica e circuiti elettrici
Gli effetti della corrente elettrica
L’elettricità, come sappiamo, é una forma di energia che si manifesta sia come
causa sia come effetto di fenomeni termici, chimici, fisiologici e meccanici.
L'effetto termico della corrente elettrica
Se tocchi una lampada accesa, ti accorgerai subito che si è riscaldata. La
corrente elettrica, passando attraverso un conduttore, produce calore e questo
calore aumenta con l'aumentare della resistenza del conduttore; la corrente
elettrica, infatti, quando attraversa un conduttore, incontra un ostacolo che si
definisce resistenza. Tale fenomeno, dannoso per il trasporto della corrente, é
invece molto utile in quanto attraverso l'uso di cattivi conduttori, quali
tungsteno e nichelcromo, si può ottenere luce o calore in modo semplice e
pulito. La formula Q = I2 x R x t permette di calcolare la quantità di calore Q
prodotta da una corrente di intensità I che attraversa per il tempo t un
conduttore la cui resistenza é R. Come si può notare l’intensità della corrente,
poiché é elevata al quadrato, agisce da moltiplicatore sull'effetto termico.
L’effetto termico della corrente
elettrica o effetto Joule, dal nome
del fisico inglese James Prescott
Joule (1818-1889), in ambito
domestico, viene sfruttato, per
mezzo
delle
cosiddette
resistenze, nel funzionamento di
apparecchi di grande utilità, quali
le lampadine per l'illuminazione,
il ferro da stiro, il forno elettrico,
le stufe elettriche, le lavatrici, le
lavastoviglie, l'asciugacapelli, il
tostapane, gli scaldabagni, i forni
elettrici.
Tutti questi apparecchi sono
infatti provvisti di una elevata
resistenza, adatta a produrre la
quantità di calore necessario.
Sulla componente luminosa dell'effetto termico si basano le comuni lampade
ad incandescenza (lampadina) nelle quali un sottile filamento di tungsteno,
racchiuso in un'ampolla di vetro priva d'aria e riempita di gas inerte (argo o
azoto), quando é percorso dalla corrente elettrica si riscalda per effetto della
resistenza a temperatura elevatissima (2.500 °C) e diventa luminoso. Le
lampade al neon sono invece dei tubi di vetro, nei quali é contenuto un gas, il
neon, molto rarefatto. Gli elettrodi, sistemati alle estremità del tubo,
producono una scarica elettrica che genera col gas un flusso luminoso. Queste
lampade, che possono essere costruite di qualsiasi forma e colore, consumano
poca energia e sono quasi prive di effetti termici.
etroina
22
Corrente elettrica e circuiti elettrici
In un conduttore percorso da corrente elettrica, il flusso di elettroni urta gli
atomi del conduttore, che cominciano a vibrare determinando un'agitazione
che provoca un aumento di temperatura. Per aumentare l'effetto joule si usano
generalmente conduttori formati da fili sottili, più volte ripiegati su se stessi
per renderli più lunghi, che presentano una resistenza elettrica maggiore.
Se la resistenza del conduttore è elevata, e così pure l'intensità di corrente nel
circuito, il conduttore può fondere e provocare un corto circuito con eventuale
fiamma. Per evitare ciò, nei circuiti vengono inseriti dei piccoli conduttori, detti
fusibili, che, in caso di surriscaldamento, hanno la proprietà di fondere prima di
quelli di utilizzo. In questo modo il circuito elettrico viene interrotto e non vi è
più passaggio di corrente.
La lampada ad incandescenza è certamente una delle più importanti
applicazioni dell’effetto termico della corrente elettrica. Dagli inizi del XIX
secolo furono molti i tentativi effettuati per costruire una lampadina elettrica in
grado di funzionare con una certa continuità, ma solo nel 1879 Thomas Alva
Edison (1847-1931) riuscì nell’intento. Le sue prime lampadine avevano il
filamento fatto di fibre di bambù carbonizzate che, al passaggio della corrente,
si riscaldava fino a diventare incandescente ed emettere una luce giallastra e
debole.
Questa lampadina divenne ben presto di uso comune, pur presentando alcuni
inconvenienti: consumo elevato, luce tenue e giallastra, filamento di breve
durata.
Negli anni successivi, vennero
realizzate
le
lampadine
ad
incandescenza con un filamento
in tungsteno inserito in una
ampolla di vetro in cui veniva
praticato il vuoto. Il tungsteno è
un
metallo
che
sopporta
temperature fino a 2.000°C
senza disgregarsi e che da una
luce bianca ed intensa.
Ulteriori studi portarono a comprendere che la combustione e carbonizzazione
del filamento veniva ancor più rallentata sostituendo il vuoto dall’interno del
bulbo con gas inerti (argon, azoto). Il tungsteno ha così la possibilità di
raggiungere la temperatura di 3.000°C senza quasi consumarsi.
Attualmente le lampadine più moderne sono quelle a risparmio energetico. In
esse l’emissione di energia luminosa si ottiene provocando una scarica
elettrica in un gas a bassa pressione contenuto in un involucro di vetro.
etroina
23
Corrente elettrica e circuiti elettrici
In ambiente industriale invece l’effetto termico della corrente elettrica é usato
per la saldatura ad arco ed in diversi tipi di forni elettrici.
etroina
24
Corrente elettrica e circuiti elettrici
L'effetto chimico della corrente elettrica
Osserviamo ora il passaggio della corrente elettrica attraverso i fluidi e in
particolare attraverso l'acqua e le soluzioni.
Se inseriamo in un circuito,
completo
di
generatore
e
utilizzatore, un bicchiere con
acqua distillata, vedremo che la
lampadina
non
si
accende.
Facciamo lo stesso inserendo
nell'acqua un po' di sale: la
lampadina si accende. Perché
accade ciò?
L'acqua pura é un cattivo
conduttore di elettricità. Invece,
quando nell'acqua sono sciolte
altre sostanze (acidi o sali) si
ottengono delle soluzioni che
funzionano
come
buoni
conduttori.
La soluzione di acqua e sale si
comporta da buon conduttore
perché il soluto, il cloruro di sodio
(NaCl), è in grado, una volta
sciolto in acqua, di dissociare le
sue molecole in ioni positivi o
cationi (Na+) e ioni negativi o
Se immergiamo le estremità di un circuito in un bicchiere
anioni (Cl-) secondo la reazione:
contenente acqua distillata la corrente non passa e la
+
NaCl -> Na
+ Cl
lampadina non si accende. Se nel bicchiere invece c'è una
soluzione di acqua e sale, la lampadina si accende. Questo
cloruro
ione
ione
accade perché il cloruro di sodio si dissocia in ioni, cioè in
di sodio
sodio
cloro.
particelle cariche di elettricità positiva e negativa.
Questo fenomeno è detto idrolisi (hydor = acqua, lysis = scioglimento) e le
sostanze che lo determinano sono dette elettroliti. A seconda che si dissocino
più o meno, ossia in relazione al loro grado di dissociazione, esistono elettroliti
deboli, come l'acqua che si dissocia soltanto in minima parte in cationi H+ e
anioni OH-, e elettroliti forti, come i sali in genere, gli acidi e le basi.
Ma perché gli elettroliti forti sono buoni conduttori di elettricità?
Quando inseriamo nel circuito l'acqua distillata questa si comporta da isolante;
gli elettroni si spostano dal polo negativo della pila (catodo) verso il polo
positivo della pila (anodo). Una volta arrivati all'elettrodo (formato per lo più
da una barretta di metallo o di carbone) immerso in acqua, si arrestano, il
circuito si apre e la corrente non passa.
etroina
25
Corrente elettrica e circuiti elettrici
Se
all'acqua
sostituiamo
una
soluzione di cloruro di sodio, gli
elettroni
arrivati
all'elettrodo
attirano verso di sé i cationi Na+,
liberi di muoversi nella soluzione, i
quali catturano un elettrone e
diventano così neutri.
Contemporaneamente,
all'altro
elettrodo si dirigono gli anioni Cl-,
attirati dal polo positivo della pila
che richiama elettroni. Una volta
arrivati,
cedono
un
elettrone
neutralizzandosi.
Pertanto,
l'elettrodo
collegato
al
polo
negativo della pila (catodo) cede
elettroni
ai
cationi,
mentre
l'elettrodo collegato al polo positivo
della pila (anodo) sottrae elettroni agli anioni. In questo modo si ha un
trasporto di elettroni all'interno della soluzione che chiude il circuito e fa
passare corrente elettrica. Tale reazione chimica viene detta elettrolisi, che
significa "scissione mediante elettricità" ed è per questo motivo che si parla di
effetto chimico dell' elettricità.
Osserva la dissociazione del cloruro di sodio nei suoi ioni: gli ioni positivi
migrano al polo negativo o catodo, dove si scaricano trasformandosi in sodio
metallico, quelli negativi al polo positivo o anodo, dove si scaricano
trasformandosi in cloro gassoso.
Ma dove viene maggiormente sfruttato l'effetto chimico della corrente
elettrica, ossia l'elettrolisi?
Negli accumulatori, apparecchi in grado di accumulare energia elettrica per
poi cederla all'occorrenza (come la comune batteria delle automobili). Hanno
generalmente la forma di una scatola al cui interno si alternano piastre
metalliche, una di tipo positivo e l'altra di tipo negativo, immerse in un liquido
elettrolitico. Collegando ai poli di un generatore elettrico gli elettrodi
dell'accumulatore, la corrente elettrica, attraversandolo, produce l'elettrolisi.
etroina
26
Corrente elettrica e circuiti elettrici
Nell'industria chimica si utilizza l'elettrolisi per scomporre sostanze complesse
in elementi semplici, ad esempio per produrre idrogeno e ossigeno rendendo
acidula l'acqua con acido solforico.
Nell'industria metallurgica, l'elettrolisi serve per separare alcuni metalli dai
loro minerali (elettrometallurgia) e così purificarli.
L'elettrolisi viene usata anche in
galvanostegia, un processo che
serve per estrarre i metalli dai loro
minerali oppure a ricoprire oggetti
metallici con un sottilissimo strato
di altri metalli, per esempio per
argentare un oggetto di un
metallo meno prezioso.
Prima di rispondere, cerca e sottolinea nel testo le frasi utili.
Che cosa significa il termine elettrolisi?
Perché in un circuito con generatore e utilizzatore in cui sia inserito un
bicchiere con acqua distillata la lampadina non si accende?
Perché, se c'è invece acqua e sale, la lampadina si accende?
Dove viene sfruttato l'effetto chimico della corrente elettrica?
etroina
27
Corrente elettrica e circuiti elettrici
L'effetto magnetico della corrente elettrica o elettromagnetismo
Il fisico danese Hans Christian Oersted (1777-1851) scoprì, nel 1819, che, al
passaggio di corrente, in un circuito elettrico si crea un campo magnetico che
mette in movimento l'ago della bussola.
Se costruiamo un circuito elettrico,
come in figura, vedremo che al
passaggio della corrente l'ago
magnetico inizia a ruotare e, dopo
qualche oscillazione, si ferma in
posizione perpendicolare al filo e
lungo la direzione nord-sud.
Nel 1819 infatti il fisico danese Oersted pose un filo
elettrico parallelamente all'ago di una bussola.
Appena vi fece circolare la corrente continua, presa
da una pila di Volta, l'ago della bussola deviò
bruscamente. Interrompendo la corrente l'ago
tornava nella posizione normale. Era quindi chiaro
che il filo elettrico si comportava come un magnete
(esperienza di Oersted).
All'effetto magnetico
elettromagnetismo.
della
corrente
elettrica
si
dà
il
nome
di
Se avvolgiamo una barretta di ferro
dolce con un filo conduttore e lo
colleghiamo ad una pila, otteniamo un
solenoide.
Questo
si
comporta
esattamente come una calamita e
viene chiamato elettrocalamita.
Pochi anni dopo il fisico francese Ampère rifece la stessa
esperienza con un solenoide, cioè un filo elettrico avvolto
a spirale. La deviazione dell'ago della bussola era molto
più accentuata poiché il solenoide generava un campo
magnetico la cui intensità, proporzionale al numero delle
spire, era molto più alta e le estremità del solenoide
erano in grado di attirare piccoli oggetti di ferro
(esperienza di Ampère).
Un solenoide è formato da una barretta di ferro avvolta
da un filo conduttore.
In seguito a tale scoperta si riuscì ben presto a creare campi magnetici più
intensi avvolgendo in spire più numerose il filo conduttore in cui far scorrere la
corrente. Quando la corrente viene tolta, il ferro perde il suo potere magnetico.
Un altro studioso, il francese Arago, provò infine ad inserire un nucleo di ferro dolce dentro il solenoide. Quando in
esso circolava la corrente elettrica le estremità del nucleo riuscivano ad attirare grossi oggetti di ferro (esperienza di
Arago). Era nata così l'elettrocalamita.
L'effetto magnetico della corrente elettrica che permette dunque di trasformare
una barretta di ferro in calamita grazie al solenoide, viene utilizzato
nell’industria per il trasporto di materiali ferrosi (elettrocalamita) e nella
costruzione di strumenti per la misurazione di grandezze elettriche, come
l'amperometro e il voltmetro, nella costruzione del campanello elettrico, del
telegrafo, del telefono e in altre applicazioni.
etroina
28
Corrente elettrica e circuiti elettrici
Prima di rispondere, cerca e sottolinea nel testo le frasi utili.
Che cos'è l'elettromagnetismo?
Che cos'è un solenoide?
Com'è fatta un'elettrocalamita?
Dove viene sfruttato l'effetto magnetico della corrente elettrica?
L’ effetto fisiologico della corrente elettrica
Il corpo umano è conduttore e quindi può essere attraversato dalla corrente
elettrica: il passaggio della corrente attraverso il corpo umano viene avvertito
come una "scossa”
La corrente elettrica, anche quella delle nostre case, che ha una tensione
alquanto elevata (220 V) ed é alternata e quindi più pericolosa, ha effetti
potenzialmente dannosi sul corpo umano. La resistenza elettrica del corpo
umano può variare (indicativamente da 2000 a 10.000 Ohm) secondo le
condizioni in cui esso si trova: per esempio, se si tocca un filo percorso da
corrente con la mano bagnata, la resistenza è minore che se la mano fosse
asciutta. Ecco perché è sempre imprudente toccare con mani o piedi bagnati
un apparecchio elettrico in funzione.
I danni dipendono, oltre che dall’intensità della corrente, dagli organi
attraversati da essa e dalla resistenza che oppone il corpo umano al suo
passaggio. La corrente attraversa il corpo poiché si dirige verso il pavimento
che ha un potenziale nullo.
Il caso più frequente di folgorazione si ha
quando si tocca un filo elettrico nel punto
in cui si è lacerato il rivestimento
isolante, come in figura. In questo caso
si produce una tensione tra il corpo umano e il terreno che determina il
passaggio di corrente attraverso il corpo.
Il passaggio di corrente attraverso il
nostro corpo. che è un sistema chimico
fisico estremamente delicato,
può provocare danni gravissimi. Nei casi più gravi (correnti da 0,005A a
0,03A) la morte é provocata dal blocco dei muscoli del torace responsabili
della respirazione, cioè per asfissia. Negli altri casi a seconda della gravità
della folgorazione si hanno disturbi alla respirazione, alterazioni del battito
cardiaco, sensazioni dolorose diffuse ed un generale senso di disagio. Gli
effetti dannosi della corrente elettrica negli ambienti domestici possono essere
prevenuti con l'impianto di messa a terra e con gli interruttori salvavita.
Ci sono casi, invece, in cui è necessario far passare corrente elettrica
attraverso il corpo umano: per ottenere registrazioni dell'attività elettrica del
cervello (elettroencefalogramma) o del cuore (elettrocardiogramma) si usano
correnti molto più deboli di 0,005A.
Perché la corrente non fulmina gli uccelli sui fili?
Un uccello se ne sta tranquillamente appollaiato sul cavo di una linea elettrica
ad alta tensione.
etroina
29
Corrente elettrica e circuiti elettrici
Come mai la pericolosissima alta tensione in questo caso si rivela del tutto
innocua?
Forse il corpo dell’uccello, a differenza del corpo umano, non conduce corrente
elettrica?
No, anche il corpo dell'uccello è un buon
conduttore, ma quando è nella situazione in
cui si trova in figura, non è attraversato da alcuna corrente perché il corpo dell'uccello e il
tratto di cavo conduttore compreso tra le sue
zampe sono due conduttori collegati in
parallelo e il tratto di cavo ha una resistenza elettrica praticamente trascurabile
rispetto a quella del corpo del volatile: si verifica dunque un corto circuito tra i
punti A e B e la corrente circola tutta attraverso quest'ultimo, e non circola
minimamente attraverso il corpo dell'uccello.
L’effetto meccanico della corrente elettrica
Gli effetti dell'induzione elettromagnetica sono reversibili, cioè un conduttore,
libero di muoversi ed immerso in un campo magnetico, quando in esso circola
la corrente elettrica si muove a causa di una forza generata dal campo
magnetico stesso. Tale principio é alla base di tutti i motori elettrici, che
sostanzialmente sono delle dinamo o degli alternatori, per tal motivo definiti
macchine reversibili, ai cui indotti viene fornita corrente elettrica. I motori
elettrici, che costituiscono l'elemento base della maggior parte degli
apparecchi che funzionano con la corrente elettrica, sono quindi dispositivi
capaci di trasformare l'energia elettrica in energia meccanica.
etroina
30
Corrente elettrica e circuiti elettrici
I generatori chimici
Le pile e gli accumulatori sono dispositivi di piccole dimensioni, ermeticamente
sigillati, all'interno dei quali non vi sono parti in movimento, ma solo piastre
metalliche e sostanze chimiche. Quando l'apparecchio é inserito in un circuito
elettrico tra le piastre ed il prodotto chimico si sviluppano delle reazioni che
generano una corrente elettrica continua.
La pila di Volta
Il primo generatore di corrente é stato realizzato da Alessandro Volta nel
1801. La sua pila funzionava in base ad un principio abbastanza semplice,
detto effetto Volta.
Se infatti prendiamo una lastrina di rame ed una di zinco e le mettiamo a
contatto, tra i due metalli si crea una differenza di potenziale di 0,78 V. Per
utilizzare tale tensione dobbiamo però mettere tra le due piastrine un feltro
imbevuto di acqua ed acido solforico e collegarle con un filo metallico. Allora
nel conduttore si avrà un regolare flusso di elettroni (corrente elettrica) di
1,08 V a causa delle reazioni chimiche innescate dall'acido solforico.
L’acido, che aggredisce tutti i metalli, agisce di più sullo zinco che sul rame e
si crea un flusso di elettroni dallo zinco al rame che determina così la
differenza di potenziale tra i due dischetti.
L'apparecchio di Volta era formato da una serie di
dischi, di rame, zinco e feltro, disposti l'uno
sull'altro in modo da formare una pila (colonna).
In tal modo, collegando con un filo metallico
l’ultima piastra di rame con la prima di zinco si
origina un flusso di elettroni che dallo zinco (polo
negativo) si dirige verso il rame (polo positivo) e
la tensione è pari alla somma delle singole
tensioni di ogni coppia di lamine metalliche.
etroina
31
Corrente elettrica e circuiti elettrici
La pila a corona di tazze
Wollaston modificò la pila di Volta creando la cosiddetta pila a corona di tazze,
formata da recipienti di vetro in cui é presente una soluzione di acqua distillata
ed acido solforico.
In tale liquido sono immerse due
lamine, una di rame e l'altra di zinco.
La soluzione acida corrode lo zinco, gli
sottrae cariche positive e lo lascia con
una sovrabbondanza di elettroni. La
lamina di zinco diventa cosi il polo
negativo (catodo), mentre quella di
rame, che ha un eccesso di cariche
positive, diviene il polo positivo
(anodo).
Le pile a secco
Le pile più comuni e che oggi si usano sono del tipo a secco, dette anche pile
Leclanché. Si chiamano a secco perché l’elettrolita, cioè la soluzione liquida, è
sostituita da sostanze pastose.
L'apparecchio è composto da
un guscio formato da tre strati
diversi: quello esterno, in
lamierino di latta, ha funzione
protettiva; quello intermedio,
di
plastica,
ha
funzione
isolante; quello interno, di
zinco e di forma cilindrica,
costituisce il polo negativo. Il
cilindro di zinco é riempito con
una pasta nerastra, detta
elettrolito, composta da sali
ammoniacali. Nell'elettrolito é
immerso un bastoncino di
carbone, che sostituisce il
rame della pila di Volta e che costituisce il polo positivo. Ogni pila a secco
fornisce una tensione di 1,5 volt e le pile piatte (4,5 volt) sono formate da tre
pile collegate in serie.
etroina
32
Corrente elettrica e circuiti elettrici
Le pile alcaline
Recentemente sono state introdotte pile a lunga durata (alcaline) con struttura
ed elettrolito diverso dalle Leclanché. La loro caratteristica è di fornire una
tensione costante per un tempo tre volte superiore a quello offerto dalle pile
zinco-carbone.
La differenza rispetto alle pile
zinco-carbone
sta
nell’elettrolita, che in questo
caso non è costituito da una
sostanza acida, bensì da una
sostanza alcalina (sostanze
antagoniste degli acidi, dei
quali annullano l’acidità). In
questo tipo di pile l’elettrolita
è costituito da idrossido di
potassio.
Le pile al mercurio
Per fornire l’energia necessaria al funzionamento di alcuni apparecchi di piccole
dimensioni, come orologi da polso, calcolatrici, macchine fotografiche, si
utilizzano pile che hanno come
sostanze conduttrici ossido di
mercurio e polvere di zinco e
come
elettrolita
utilizzano
idrossido di potassio.
La loro caratteristica principale è quella di avere una durata di funzionamento
ancora più elevata di quelle alcaline. Queste pile hanno una forma molto piatta,
per cui sono dette a bottone, e sono contenute in un rivestimento di acciaio.
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Corrente elettrica e circuiti elettrici
Gli accumulatori al piombo
L'accumulatore é un apparecchio elettrico molto diffuso, sia per l'avviamento
dei motori a scoppio, sia per muovere i carrelli industriali, sia per impianti di
emergenza. Esso non é un generatore, poiché si limita ad accumulare, cioè
conservare, l'energia elettrica ricevuta da un generatore, ma può erogarla ad
un apparecchio utilizzatore.
Un accumulatore al piombo é
formato da coppie di griglie di
piombo,
immerse
in
una
soluzione di acido solforico ed
acqua
distillata.
Le
griglie
costituiscono gli elettrodi e sono
alternate in modo che ogni griglia
collegata al polo negativo sia
opposta ad un'altra collegata al
polo positivo.
Durante la carica dell’accumulatore, l'energia elettrica provoca delle reazioni
chimiche, e gli ioni positivi si depositano al catodo sotto forma di atomi di
piombo: le griglie positive si ricoprono con uno strato di biossido di piombo e la
superficie di quelle negative si trasforma in piombo spugnoso.
Quando l’accumulatore viene collegato al circuito esterno (scarica) restituisce
l’energia accumulata durante la carica tramite lo spostamento di ioni: le
reazioni avvengono in senso contrario e si ha un passaggio della corrente in
senso inverso rispetto a quello di carica.
Gli accumulatori per le autovetture (batteria) sono formati da una serie di 6
elementi, detti celle, ed ogni elemento fornisce la tensione di 2 V.
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Corrente elettrica e circuiti elettrici
Per non avere dubbi nell'individuazione di anodo e catodo e dei segni da attribuire loro in
una cella elettrolitica e in una pila, può essere utile fare riferimento alle regole che
seguono, basate sul ragionamento piuttosto che sulla memoria:
Elettrodo
Azione
ANODO
Sposta gli ioni negativi
Semireazione
Polarità
pila
lisi
ossidazione
riduzione
CATODO
Sposta gli ioni positivi
riduzione
ossidazione
pila
lisi
+
+
-
all'anodo si ha sempre la semireazione di ossidazione e sul catodo sempre la
semireazione di riduzione (per ricordare: vocale con vocale, consonante con
consonante);
in una cella elettrolitica l'anodo ha segno positivo (per attirare elettrostaticamente gli ioni
negativi), mentre il catodo è l'elettrodo negativo (in modo da attirare i cationi);
in una pila la semicella che ha potenziale standard di riduzione più basso (tenendo conto
anche del segno) ha minor tendenza a ridursi, quindi sarà coinvolta dalla semireazione di
ossidazione, la quale deposita elettroni sull'elettrodo, che acquista quindi segno negativo.
Invece la semicella con potenziale standard di riduzione più alto (tenendo conto anche
del segno) ha forza maggiore nel ridursi e questa semireazione sottrae elettroni
all'elettrodo dandogli così una carica positiva.
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Corrente elettrica e circuiti elettrici
Storia dei generatori di corrente elettrica
Con l'invenzione della pila di Volta ebbe inizio l'utilizzo pratico della corrente
elettrica. Vediamone qui le principali tappe.
- Prima linea telegrafica: è il primo impiego pratico di vasta portata della
corrente elettrica (generata da pile).
- Antonio Pacinotti costruisce un prototipo di dinamo (l'anello che da lui
prese il nome): viene così resa possibile la produzione di corrente
elettrica in grandi quantità, che non poteva essere ottenuta solo con
l'impiego delle pile.
- Thomas Alva Edison costruisce la prima lampadina elettrica a
incandescenza.
- Prima centrale elettrica a New York: ha inizio la produzione di corrente
elettrica per uso pubblico.
Il dispositivo "Morse"
Prepara due interruttori
a fermaglio nel seguente
modo: su un pezzetto di
legno fissa due puntine
da disegno a distanza di
qualche
centimetro,
quindi apri un fermaglio
e infila un capo sotto
una
puntina:
l'interruttore è chiuso
quando l'altro capo del
fermaglio
viene
a
contatto con la seconda
puntina.
Piega i fermagli verso
l'alto sopra le puntine.
Collega due pile e due lampadine con le rispettive portalampadine alle
estremità di due fili lunghi quanto basta per andare da una stanza in un'altra.
Quando le puntine si toccano con i fermagli il circuito si chiude e le lampadine
si accendono: si potranno inviare messaggi e vedere i messaggi che l'altro
invia, usando il codice Morse.
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