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Corrente elettrica nei solidi (Si chiama circuito elettrico qualsiasi…
Corrente elettrica nei solidi
E' un movimento di cariche elettriche che attraversa un
circuito elettrico
, ovvero un percorso chiuso composto da:
generatore di corrente
,
conduttore elettrico
,
utilizzatore o rilevatore
di corrente.
La corrente elettrica si instaura nel circuito solo se: 1) il circuito è
chiuso
, senza interruzioni; 2) si instaura e viene mantenuta una
differenza di potenziale
tra i due poli del generatore e dell'utilizzatore.
I fenomeni elettrici, ma anche quelli conseguenti termici e luminosi, avvengono
in tutti i punti del circuito
, senza distinzione dalla posizione rispetto al generatore o rispetto all'utilizzatore di corrente.
https://youtu.be/Eclp973co_0
Una particella di carica positiva si muove lungo le linee di campo elettrico dal polo positivo (
a potenziale maggiore
) verso il polo negativo (
a potenziale zero
). Una particella di carica negativa si muove nel verso opposto.
La corrente elettrica si instaura in presenza di una
differenza di potenziale d.d.p.
tra due punti fino a equilibrare questa d.d.p. Per mantenere un flusso di
corrente continua
è necessario mantenere questa d.d.p. E' necessario inserire un
generatore di forza elettromotrice FEM
capace di riportare le cariche nel punto A e donando loro l'energia potenziale necessaria a ripetere il percorso verso il punto B, a potenziale inferiore.
Le cariche elettriche possono essere trasportate attraverso
guide metalliche
costituite da
fili o cavi metallici
. Il rapporto tra la
quantità di carica ΔQ
e l'
intervallo di tempo Δt
che questa impiega ad attraversare una certa sezione (indicata con S o con A) del cavo metallico prende il nome di
intensità di corrente I
e si misura in
Ampére
.
I = ΔQ/Δt
https://youtu.be/Yqu8P5RAflY
Poichè la carica di 1C è equivalente a quella posseduta da circa 6,25 E+18 elettroni, vuol dire che
la corrente di 1A corrisponde al passaggio di 6,25 E+18 elettroni al secondo attraverso una qualsiasi sezione del conduttore in esame
.
Per la normale agitazione termica delle particelle, in un corpo gli elettroni si muovono sempre di moto disordinato e caotico. La presenza di un campo elettrico
costringe
gli elettroni a muoversi nella stessa direzione e verso con una velocità piuttosto bassa (10^-4 : 10^-5 m/s), chiamata
velocità di deriva
. Tuttavia la corrente generata non è trascurabile a causa dell'enorme quantità di elettroni che si spostano.
Per convenzione, si assume con verso positivo della corrente elettrica quello opposto al verso in cui si muovono gli elettroni. Quindi
la corrente elettrica si muove lungo un conduttore che collega il polo positivo al polo negativo
di un generatore di corrente.
Due cariche di segno opposto che si muovo in versi opposti in un conduttore non si annullano a vicenda, ma, secondo la convenzione,
contribuiscono entrambe a generare una corrente globale "nello stesso verso"
.
ATTENZIONE
: questa convenzione vale
sempre
nonostante nei metalli la corrente elettrica sia generata esclusivamente a un movimento di elettroni, che quindi "in realtà" si muoverebbero verso il polo positivo e non viceversa.
Applicando una d.d.p. a due capi di un conduttore e misurando l'intensità di corrente generata al variare della d.d.p. si osserva che
il rapporto tra la d.d.p e la I è costante per un determinato conduttore a una determinata temperatura
.
In altre parole un determinato conduttore a un certa temperatura oppone una certa
resistenza
al passaggio di corrente che è specifica di quel conduttore e vale
R = ΔV/I
.
PRIMA LEGGE DI OHM
. L'unità di misura è l'Ohm (Ω)
La prima legge di Ohm è
fenomenologica
, cioè non è universale per tutti i conduttori, ma si può applicare solo a determinati conduttori, definiti
conduttori ohmici
, i quali hanno un comportamento particolare, visibile anche dal grafico d.d.p. (tensione) - intensità di corrente.
https://youtu.be/CfJUqxMcgdU
Un cavo metallico in cui passa corrente è caratterizzato da una certa lunghezza e da un certo diametro. Anche queste caratteristiche influenzano la resistenza di un conduttore.
SECONDA LEGGE DI OHM
.
La resistenza elettrica è direttamente proporzionale alla
lunghezza
di un conduttore e inversamente proporzionale alla sua
sezione
, secondo una costante,
la resistività
propria di ciascun materiale.
R = ϱ (L/A)
https://youtu.be/UMLunMaZpJU?t=30
L'unità di misura della resistività è l'Ohm per metro (Ωm). Un buon conduttore ha un resistività dell'ordine di grandezza di 10^-8 Ωm; mentre un buon isolante ha una resistività dell'ordine di 10^14 Ωm.
La resistività di un determinato materiale varia (AUMENTA) al variare (AUMENTARE) della temperatura, secondo la legge
ϱT = ϱ273 (1 + αΔT)
La resistività di riferimento di un materiale è presa a 273 K. La lettera α indica un coefficiente termico, specifico di ogni materiale, che ne misura la variazione della resistività al variare della temperatura.
COMPORTAMENTI ANOMALI
:
semiconduttori
come
germanio
e
silicio
la cui resistività
diminuisce
all'aumentare della temperatura e, in generale, è molto sensibile anche a piccole variazioni di temperatura;
superconduttori
sono sostanze che a temperature molto basse hanno una resistività praticamente nulla e quindi conducono
molto bene
corrente, esempio il
mercurio
.
Si parla di
temperatura critica
di ogni conduttore: quella temperatura (molto vicina allo
zero assoluto
) a cui la resistività del conduttore risulta praticamente nulla.
Nei superconduttori una corrente può circolare, anche per lunghe distante e per lungo tempo, senza disperdere energia.
Il generatore in un conduttore permette di trasferire alle cariche l'energia necessaria per mantenersi in movimento. Si può determinare in ogni conduttore
quanta di questa energia venga assorbita dal conduttore stesso (POTENZA ELETTRICA ASSORBITA)
In generale la variazione di energia potenziale elettrica ΔU è data dalla differenza di potenziale V tra due capi del conduttore e dalla quantità di carica ΔQ spostata.
Si parla di
POTENZA ASSORBITA
mettendo in relazione questa ΔU con l'intervallo di tempo Δt considerato. Tenendo conto della legge della corrente elettrica si ottiene la
POTENZA ELETTRICA
assorbita da un conduttore (in Watt).
P = VI
Tutta questa energia assorbita dal conduttore viene dispersa nell'ambiente sotto forma di calore: il conduttore si riscalda a causa di quello che è definito
EFFETTO JOULE
.
La quantità di calore dispersa dal conduttore dipende dalla
resistenza
del conduttore, dall'
intensità di corrente
e dall'
intervallo di tempo
.
Q = R Δt I^2
Si chiama
circuito elettrico
qualsiasi percorso chiuso in cui può circolare corrente. Un circuito è composto sempre da questi elementi: un
conduttore
, un
generatore
che mantiene la d.d.p., un
interruttore
in grado di aprire o chiudere il circuito, una o più
resistenze
(che "consumano" corrente).
RESISTENZE IN SERIE
: quando due resistenze sono collegate al conduttore e hanno
un solo
punto in comune. Nelle due resistenze **passa la stessa quantità di corrente I, e la d.d.p. ai capi della serie corrisponde alla somma delle d.d.p. delle singole resistenze.
Si può immaginare allora una
resistenza equivalente
corrispondente alla somma delle due resistenze (
Requi = R1 + R2
) e si ha:
V = I R(equivalente)
CONDENSATORI IN SERIE
: un condensatore è un
dispositivo in grado di accumulare carica elettrica
. Se due condensatori sono collegati in serie, la d.d.p. si comporta come nel caso delle resistenze in serie. Le piastre interne dei condensatori, non direttamente collegate al generatore, si caricano per
induzione elettromagnetica
e in generale la quantità di carica complessiva Q nel circuito si mantiene costante.
Si può immaginare un
condensatore equivalente
la cui capacità equivalente è il relazione con le singole capacità dei singoli condensatori.
1/Ceq = 1/C1 + 1/C2 e
Ceq = 1/(1/C1 + 1/C2)
Un
NODO
in un circuito è un punto in cui confluiscono più conduttori (una ramificazione del circuito). Per la
legge di conservazione della quantità di carica
, la quantità totale di carica che entra in un nodo corrisponde alla quantità totale di carica che esce dal nodo. La presenza di nodi permette di collegare al circuito
elementi in parallelo
.
RESISTENZE IN PARALLELO
: quando ciascun capo di ogni resistenza è collegato allo stesso nodo delle altre resistenze. --> Ciascuna resistenza è soggetta alla stessa d.d.p. La quantità di carica I in arrivo al primo nodo si distribuisce nelle varie ramificazioni in modo che
I = I1 + I2 + ... + In
Sapendo che I = V/R e che V è uguale in tutte le resistenze collegate in parallelo allora
I = V(1/R1 + 1/R2 + ... + I/Rn)
Si può parlare di
resistenza equivalente Req
tale che 1/Req = 1/R1 + ... + 1/Rn e che
Req = 1/(1/R1 + ... + I/Rn)
CONDENSATORI IN PARALLELO
: la d.d.p. ai capi di ciascun condensatore è uguale e la quantità di carica Q presente nel circuito si ripartisce nei vari condensatori in base alla loro capacità, ma rimane complessivamente la stessa.
Sapendo che in un condensatore Q = CV otteniamo
Q = C1V1 + C2V2 + ... + CnVn
Si può parlare di
capacità equivalente Ceq
tale che
Ceq =C1 + C2 + ... + Cn
Gli strumenti per le misure tipiche che possono essere prese in un circuito sono inseriti all'interno del circuito in serie o in parallelo.
Il
VOLTMETRO
misura la d.d.p. tra due punti qualsiasi del circuito ed è
inserito in parallelo nel circuito
. Presenta al suo interno una
resistenza molto alta
per rendere
minima la quantità di corrente I che viene "impegnata" dallo strumento
.
L'
AMPEROMETRO
misura l'intensità di corrente ed è
inserito in serie nel circuito
. Presenta al suo interno una
resistenza molto piccola
in modo che
si opponga il meno possibile al passaggio di corrente
.
GENERATORE DI FORZA ELETTROMOTRICE
: è il dispositivo che mantiene la differenza di potenziale, essendo in grado di spostare una carica q da un punto a d.d.p. inferiore a un punto a d.d.p. maggiore, quindi
contro il verso del campo elettrico
. Per fare questa operazione il generatore compie lavoro.
La forza elettromotrice
f
= L/q
La potenza di un generatore corrisponde a
P=
f
I
In
condizioni ideali
il generatore di corrente produce una forza elettromotrice che è completamente utilizzata da una resistenza esterna,
resistenza di carico
. Tutta la potenza disponibile è infatti assorbita dalla resistenza di carico.
Nella realtà (
generatore reale di tensione
) il generatore stesso assorbe una frazione della potenza elettrica a causa di una
resistenza interna
r
. Pertanto
non tutta la potenza generata è a disposizione della resistenza di carico
.
Per valutare la potenza ideale del generatore è necessario considerare la potenza dispersa dalla R e la potenza dispersa dalla r interna al generatore stesso.
Dalla prima legge di Ohm si ottiene che nel circuito esiste una
resistenza equivalente
data dalla somma di R + r
La
differenza di potenziale
disponibile ai capi di un generatore V(R) corrisponde alla forza elettromotrice del generatore ideale a cui deve essere sottratta la
caduta di tensione
ovvero la potenza "consumata" dalla resistenza interna al generatore.
V(R) =
f
- V(r) =
f
- Ir
