Prima legge di Ohm
➡ Ohm scoprì che per alcuni conduttori (metalli, soluzioni di acidi, basi e sali) la curva caratteristica è una retta passante per l'origine. Questi sono detti conduttori ohmici
Studio sperimentale della variazione dell'intensità di corrente i in un conduttore al variare della differenza di potenziale ΔV ai suoi capi:
- misuriamo i con un amperometro, collegato in serie al conduttore, in modo da essere attraversato dalla stessa corrente
- misuriamo ΔV con un voltmetro collegato in parallelo al conduttore, in modo da avere ai suoi capi la stessa ddp
➡ Otteniamo la curva caratteristica del conduttore riportando i dati in un grafico ΔV-i e notiamo che i conduttori hanno comportamenti diversi
L'intensità di corrente i è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale ΔV applicata ai loro capi
La resistenza elettrica R si misura in ohm,(V/A)
I resistori
I componenti elettrici che seguono la I legge di Ohm
Sono detti impropriamente resistenze
La resistenza equivalente Req di una rete di resistori è quella di un singolo resistore che, sottoposto alla stessa ΔV, assorbe dal generatore la stessa ieq
In serie:
In parallelo:
⚠ i è uguale in entrambi i conduttori
La resistenza equivalente di più resistori in serie è uguale alla somma delle resistenze dei singoli resistori
Ogni resistore aggiunto aumenta la resistenza totale, perché è un ulteriore ostacolo al passaggio della corrente elettrica
⚠ i totale è la somma delle singole correnti
L'inverso della resistenza equivalente di più resistori posti in parallelo è uguale alla somma degli inversi delle resistenze dei singoli resistori
Ogni resistore aggiunto diminuisce la resistenza totale, perché offre un'ulteriore possibilità al passaggio della corrente elettrica
Le leggi di Kirchhoff
Valgono per tutti i circuiti ohmici e servono per risolvere i circuiti, per stabilire i valori di i e ΔV relativi a ciascun resistore
- nodo: punto in cui convergono più conduttori
- maglia: tratto chiuso di un circuito
- una maglia è fatta di più rami che connettono vari nodi
Legge dei nodi
Legge delle maglie
La somma delle i entranti in un nodo è uguale alla somma di quelle uscenti
Segue il principio di conservazione della carica elettrica
La somma delle ΔV che si incontrano percorrendo una maglia è uguale a zero
Effetto Joule
Alcuni elettrodomestici contengono un resistore che si scalda quando è attraversato da corrente
La trasformazione di energia elettrica in calore
L'energia potenziale elettrica si trasforma in energia cinetica delle molecole del conduttore
La temperatura aumenta, l'energia elettrica diventa calore
P (potenza dissipata dal resistore): rapidità con cui l'energia elettrica è trasformata in energia interna del resistore
Conduttori ohmici
Conduttori non ohmici
La conservazione dell'energia
Fu scoperta da Joule
Esperimento
- fece passare una corrente i in un resistore immerso in acqua per un tempo Δt
- misurò l'aumento di temperatura ΔT dell'acqua
⚠Verificò che l'energia elettrica dissipata nel resistore è uguale all'energia assorbita dall'acqua
🚩Anche per i fenomeni elettrici vale il principio di conservazione dell'energia totale.
Il kilowattora
L'unità di misura nel SI è il watt (W), J/s
i consumi di energia elettrica sono espressi in kilowattora (kWh):
L'energia assorbita in un'ora da un dispositivo che assorbe una potenza di 1000 W
In un metallo gli atomi, divenuti ioni positivi, sono disposti regolarmente nel reticolo cristallino
gli elettroni più esterni, di conduzione, sono liberi di spostarsi nel reticolo
ioni ed elettroni sono soggetti al moto di agitazione termica
quando si collega il filo a un generatore, all'interno si genera un campo elettrico
❗Gli elettroni si muovono in tutte le direzioni
❗Lo spostamento medio degli elettroni è nullo e non crea nessuna corrente elettrica
❗Gli elettroni si muovono verso il polo positivo, nel verso opposto a quello del vettore E
quando passa corrente, il campo elettrico accelera gli elettroni che perdono parte della loro energia cinetica
il metallo si scalda perché gli ioni assorbono l'energia cinetica
Velocità di deriva, vd: il modulo della velocità media degli elettroni del metallo
Per i=1 A in un filo di rame di sezione 1 mm^2:
vd = 7 x 10^-5 m/s
Seconda legge di Ohm
La resistenza di un filo conduttore è direttamente proporzionale alla sua lunghezza l e inversamente proporzionale alla sua sezione A
La costante ρ è detta resistività e dipende dal materiale e dalla sua temperatura
L'unità di misura nel SI èx m.
Dal suo valore si capisce se una sostanza è un buon conduttore elettrico o un isolante
Nei metalli ρ aumenta al crescere di T: al crescere di T aumenta il moto di agitazione termica che ostacola il moto degli elettroni di conduzione
- ρT: ρ alla temperatura T
- ρ293: ρ alla temperatura 293 K
- ΔT: T - 293 K
- α: coefficiente di temperatura della resistività
Al diminuire di T, il comportamento di ρ nei metalli può avere due andamenti diversi
Quando T si riduce a zero, la ρ si stabilizza e acquista il valore limite ρL
A basse temperature, la resistività si annulla bruscamente in alcuni metalli (es.mercurio)
una volta raggiunto il valore ρ=0 alla temperatura critica Tc, la resistività resta nulla fino allo zero assoluto
Il fenomeno è detto superconduttività
I superconduttori
Sono stati scoperti alcuni materiali che diventano superconduttori a temperature molto al di sopra dello zero assoluto (circa 138K nel 2008)
Furono scoperti da Onnes nel 1911
R=0 ohm e non c'è l'effetto Joule
Una volta messi in moto gli elettroni, la corrente può circolare per un tempo indeterminato senza bisogno di un generatore
La teoria della superconduttività è stata smentita
La forza elettromotrice
Il rapporto tra il lavoro W compiuto per spostare una carica q all'interno di un generatore e la carica stessa
All'interno di un generatore vi sono forze che lavorano contro il campo elettrico
La forza elettromotrice di un generatore ideale di tensione è la differenza di potenziale che esso mantiene ai suoi estremi
La forza elettromotrice di un generatore reale di tensione è uguale alla massima tensione che si può avere tra i suoi poli quando non circola corrente
La differenza di potenziale ai capi del generatore è minore della forza elettromotrice quando circola corrente, perché parte dell'energia fornita serve a vincere le resistenze al moto delle cariche
Il circuito è aperto
Il circuito è chiuso
Per descrivere questo calo di tensione si associa ad ogni generatore reale una resistenza interna r
L'impedimento al moto delle cariche all'interno del generatore
è la ddp ai capi del generatore reale
è la ddp ai capi del generatore ideale