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La corrente elettrica e il circuito elettrico
La corrente elettrica
Consideriamo un condensatore carico e sia ∆V la differenza di potenziale tra le
sue armature. Collegando con un filo conduttore le due armature, le cariche
elettriche si spostano al suo interno fino a che non si annulla la differenza di
potenziale tra le armature stesse. Il movimento ordinato delle cariche elettriche
nel filo conduttore si chiama corrente elettrica.
Intensità della corrente elettrica.
Definiamo intensità della corrente elettrica il rapporto tra la quantità di carica Q che
attraversa una qualunque sezione del conduttore e l’intervallo di tempo ∆t durante il quale
avviene il passaggio di cariche.
L’intensità di corrente è indicata con la lettera “i” ed è data da:
Q
i=
. Nel SI l’unità di misura dell’intensità della corrente
∆t
elettrica è l’ampere (A) in onore del fisico francese André
Marie Ampère (1775 – 1836), ed è pari all’unità di carica, il
coulomb (C), che attraversa la sezione del conduttore nell’unità
1 coulomb
1 ampere =
.
In
di tempo, il secondo (s).
1 secondo
1C
simboli: 1 A =
.
1s
Poiché le grandezze elettriche (corrente, carica) non possono in alcun modo essere costruite a
partire da quelle meccaniche (lunghezza, tempo, massa), il sistema internazionale delle unità di
misura deve essere completato con una grandezza elettrica – appunto l’Ampere – la cui definizione
operativa è data in base a certi particolari effetti di cui la corrente elettrica è responsabile.
Le piccole correnti vengono misurate ricorrendo ai sottomultipli dell’ampere: il milliampere (mA) e
il microampere (µA): 1 mA = 10−3 A;
1 µA = 10−6 A.
Il circuito elettrico
Per ottenere una corrente persistente nel tempo all’interno del conduttore occorre mantenere a
diverso potenziale gli estremi del conduttore stesso. Il dispositivo che produce una tale differenza di
potenziale costante è detto generatore elettrico. Un generatore ha sempre un polo positivo e uno
negativo. Le comuni pile sono esempi di generatori elettrici.
Tramite fili conduttori (linea elettrica) la corrente elettrica può essere fatta scorrere in un
apparecchio utilizzatore, cioè in un dispositivo per trasformare l’energia elettrica in altre forme di
energia (una lampadina, un phon, un motore elettrico, ecc). L’insieme del generatore elettrico, della
linea e dell’utilizzatore costituisce il circuito elettrico. In esso possono essere presenti uno o più
interruttori. Un interruttore si dice chiuso se permette il passaggio della corrente elettrica, aperto se
la interrompe. È molto importante osservare che qualsiasi circuito elettrico deve sempre essere
chiuso per funzionare, vale a dire che le cariche che escono da uno dei poli del generatore devono
rientrare nell’altro.
La natura della corrente elettrica
Nei materiali solidi la corrente elettrica è costituita dal movimento ordinato di elettroni. Ciò è
possibile solamente se vi sono elettroni liberi di muoversi. Nel rame, per esempio, ogni atomo
possiede 29 elettroni di cui 28 sono fortemente attratti dal nucleo positivo che li tiene legati, mentre
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uno è relativamente libero di muoversi tra gli atomi del metallo. Poiché in un cm3 di rame vi sono
1023 atomi, si avranno di conseguenza 1023 elettroni liberi che si muovono nel conduttore in modo
disordinato in assenza di una differenza di potenziale indotta dal generatore.
Se colleghiamo i poli del generatore ai due estremi di un filo conduttore, la differenza di potenziale
genera un moto ordinato degli elettroni liberi. In questo modo tanti elettroni escono da un polo del
generatore, contrassegnato dal segno “−” (polo negativo), quanti ne entrano nell’altro polo,
contrassegnato dal segno “+” (polo positivo). Così si forma una corrente elettrica dovuta al
movimento di elettroni: dal polo positivo al negativo internamente al generatore, dal negativo al
positivo esternamente al generatore. Per convenzione si è stabilito che il verso positivo della
corrente elettrica sia quello del movimento delle cariche positive che, perciò, è opposto a quello
degli elettroni: dal polo negativo a quello positivo internamente al generatore, dal positivo al
negativo esternamente al generatore.
La differenza di potenziale mantenuta tra i poli dal generatore viene
chiamata forza elettromotrice. Si indica con la sigla f.e.m. e si misura in
volt (V).
Il circuito elettrico è analogo a un circuito idrico. Una pompa trasporta
l’acqua da un livello più basso a un livello più alto conferendole energia
potenziale gravitazionale, come il generatore elettrico conferisce energia
potenziale alle cariche elettriche. L’acqua cadendo mette in moto le pale di
un mulino, trasformando l’energia potenziale gravitazionale in lavoro meccanico del mulino.
Analogamente la corrente elettrica nei conduttori esterni al generatore trasforma la propria energia,
per esempio, in energia luminosa, o in lavoro meccanico.
Nel circuito idrico quando la pompa entra in funzione, subito le pale del
mulino si muovono perché tutta l’acqua del condotto viene messa in
moto, anche se la velocità dell’acqua non è elevata. In modo analogo,
nel circuito elettrico quando chiudiamo l’interruttore per accendere la
luce la lampadina si illumina subito perché tutti gli elettroni liberi dei
conduttori del circuito vengono mesi in moto, anche se la loro velocità è
relativamente bassa (qualche frazione di
mm
per correnti dell’ordine
s
dell’ampere negli ordinari fili elettrici di rame).
Esempio 1 – Calcolo dell’intensità di corrente e del numero di elettroni che passano in un conduttore
Attraverso una sezione di un conduttore in 30 s passano 0,60 C. Vogliamo determinare l’intensità di corrente
nel conduttore e il numero di elettroni passati nell’intervallo di tempo.
Scriviamo i dati del problema
Intervallo di tempo considerato
∆t = 30 s
Quantità di carica transitata
Q = 0,60 C
Incognite
Intensità di corrente i. Numero n di elettroni passati.
Analisi e soluzione
Dalla definizione di intensità di corrente otteniamo: i =
0,60 C
= 2,0 ⋅10 −2 A .
30 s
Sapendo che la carica dell’elettrone è: e- = 1,6·10−19 C, il numero degli elettroni transitati è dato da:
n=
Q
0,60 C
=
= 3,8 ⋅1018 .
−
e
1,6 ⋅10 -19 C
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Verifiche di comprensione
1. Che cosa succede se si collegano con un filo conduttore le armature di un condensatore carico?
2. Come si chiama il movimento ordinato delle cariche elettriche nel filo conduttore?
3. Che cosa si intende per intensità della corrente elettrica?
4. A che cosa equivale l’ampere?
5. A quanti ampere corrisponde un mA?
6. A quanti ampere corrisponde un µA?
7. Quale dispositivo mantiene nel tempo a diverso potenziale gli estremi di un conduttore?
8. Che tipo di trasformazione energetica avviene nel generatore?
9. Che tipo di trasformazione energetica avviene nell’utilizzatore?
10. Che cosa si intende per circuito elettrico?
11. Quando un interruttore è detto chiuso?
12. Che cos’è un elettrone libero?
13. Come agisce la differenza di potenziale tra gli estremi di un conduttore sugli elettroni liberi?
14. Come si muovono gli elettroni nei conduttori esterni al generatore?
15. Come si muovono gli elettroni internamente al generatore?
16. Come si chiama la differenza di potenziale ai poli del generatore elettrico e qual è la sua unità di misura?
17. Per convenzione da quale tipo di cariche è formata la corrente elettrica?
18. Descrivi l’analogia tra il circuito elettrico e quello idrico.
Verifiche di conoscenza
1. Nel circuito elettrico la f.e.m. del generatore:
a. genera gli elettroni che si muovono nel circuito
b. sposta gli elettroni liberi dei conduttori del circuito
c. separa gli elettroni liberi dagli atomi dei metalli
2. Perché nei conduttori metallici la corrente è formata da elettroni?
a. Perché nei metalli le cariche libere sono solo elettroni.
b. Perché se la corrente fosse formata da atomi positivi, questi si ricombinerebbero con gli elettroni
liberi annullando la corrente stessa.
c. Perché le cariche positive sono troppo pesanti per potersi muovere.
3. Indica quale delle seguenti frasi è corretta:
a. la corrente elettrica è formata da elettroni che si muovono esternamente al generatore elettrico
dal polo positivo a quello negativo, mentre all’interno del generatore si spostano dal polo
negativo a quello positivo
b. la corrente elettrica convenzionalmente è formata da cariche positive che si muovono dal polo
positivo a quello negativo nei conduttori esterni al generatore, viceversa all’interno del
generatore stesso
c. la corrente elettrica convenzionalmente è formata da cariche positive che si muovono dal polo
negativo a quello positivo nei conduttori esterni al generatore, viceversa all’interno del
generatore stesso
4. Quando chiudiamo l’interruttore di un asciugacapelli, questo funziona subito perché:
a. è vicino alla presa di corrente e quindi non ci accorgiamo del ritardo nel funzionamento
b. perché gli elettroni, infinitamente piccoli, possono arrivare dal generatore all’asciugacapelli in
un tempo brevissimo
c. perché tutti gli elettroni dei fili conduttori si muovono contemporaneamente come l’acqua spinta
dalla pompa in un tubo.
Problemi
1. Attraverso una sezione di un conduttore in un minuto passano 8,0·1018 elettroni. Calcola la quantità di
carica che passa e l’intensità di corrente.
2. Un filo conduttore è percorso da una corrente di 2,0 mA. Quanta carica attraversa una sezione del filo in
2,5 minuti?
3. Per quanto tempo un conduttore è attraversato dalla corrente di 20,0 mA se passano 1,25·1018 elettroni?