Elettricità e correnti elettriche: cariche, conduttori e campo elettrico

Elettricità e correnti elettriche

Cariche elettriche e fenomeni elettrici

La proprietà di un oggetto strofinato di attirare corpi leggeri è detta carica elettrica.

La carica elettrica è una proprietà fondamentale della materia, come la massa, ma vi sono delle differenze importanti:

• tutti i corpi possiedono una massa, ma solo alcuni corpi sono elettrizzati, cioè hanno una carica elettrica;
• tra le masse si instaurano solo forze attrattive, mentre fra i corpi carichi elettricamente possono instaurarsi anche forze repulsive.

Due tipi di carica elettrica

Esistono due tipi di elettrizzazione che si manifestano in materiali differenti, perciò sono stati definiti due tipi di carica elettrica:

• la carica positiva (con segno +), che si manifesta, per esempio, nel vetro;
• la carica negativa (con segno -), che si manifesta per esempio, nella plastica.

Semplici esperienze mostrano che:

+ + cariche dello stesso segno (entrambe negative o entrambe positive) si respingono + - cariche di segno diverso si attraggono

La forza elettrica

La legge di Coulomb, dal nome dello scienziato francese, stabilisce l'intensità della forza elettrica tra due corpi elettrizzati.

La forza è:

• direttamente proporzionale al prodotto delle due cariche;
• inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza.

costante di proporzionalità cariche elettriche forza elettrica · F = k.Q1 . Q2 d2 distanza

La costante di proporzionalità k nel vuoto vale 8,99 . 109 N · m2/C2.

L'unità di misura della carica elettrica

Nel Sistema Internazionale l'unità di misura della carica elettrica è il coulomb (C):

SIMBOLO UNITÀ DI MISURA CARICA ELETTRICA Q Coulomb (C)

1 coulomb è la carica elettrica che, posta nel vuoto alla distanza di 1 m da una carica uguale, la respinge con la forza di 8,99 · 109 N.

L'origine dei fenomeni elettrici

I fenomeni elettrici sono dovuti alle cariche elettriche contenute negli atomi di cui la materia è costituita.

Ogni atomo presenta un nucleo, composto da protoni (con carica positiva) e da neutroni (senza carica elettrica).

Intorno al nucleo si muovono gli elettroni, con carica negativa.

Nome Massa Carica protone 1,67 · 10-27 kg 1,6 · 10-19 C neutrone 1,68 . 10-27 kg 0 elettrone 9,10 · 10-31 kg -1,6 · 10-19 C

Il protone e il neutrone hanno masse simili, circa 1836 volte maggiori di quella dell'elettrone.

Atomi neutri e atomi ionizzati

In genere, gli atomi sono elettricamente neutri, poiché elettroni e protoni sono in numero uguale.

Tuttavia, durante una reazione chimica o con un semplice strofinio del corpo a cui appartiene, un atomo può cedere o acquistare elettroni: allora l'atomo non è più neutro e diventa ione.

• Lo ione positivo o catione è l'atomo che ha ceduto uno o più elettroni.
• Lo ione negativo o anione è l'atomo che ha acquistato uno o più elettroni.

Elettrizzazione per strofinio

L'elettrizzazione per strofinio viene prodotta su corpi inizialmente neutri, i quali si caricano elettricamente a causa del trasferimento di cariche che si verifica durante lo strofinio.

e lana plastica Alcuni elettroni si spostano dalla lana alla plastica. 1 1 + + + La plastica si carica negativamente.

Elettrizzazione per contatto

L'elettrizzazione per contatto viene prodotta dal contatto tra un corpo elettrizzato e uno elettricamente neutro.

Il contatto rende possibile un passaggio di elettroni.

e - - - 1 - Nel contatto alcuni elettroni si spostano dal corpo carico al corpo neutro.

Elettrizzazione per induzione

L'elettrizzazione per induzione viene prodotta avvicinando un corpo elettrizzato a un corpo non elettrizzato.

All'interno del corpo neutro si ha una separazione delle cariche elettriche per effetto dell'avvicinamento di un corpo elettrizzato.

vetro + + + + + + + + + + + -X + + + + + + + + + -+ - + + + + -+ + + + + + + + + - + + + + + + + + I + + + + - + - + + + + I + + ++ + + + + + + 1 ++ - + - + + - + - + - + - + - + + Le cariche elettriche si orientano in modo da avvicinare le cariche negative a quelle positive della bacchetta.

Conduttori e isolanti

Negli atomi dei metalli, gli elettroni più esterni possono allontanarsi dai rispettivi nuclei e muoversi liberamente. Questi elettroni liberi, detti elettroni di conduzione, trasferiscono cariche negative da un punto del corpo a un altro: ecco perché i metalli sono buoni conduttori di elettricità.

Negli isolanti elettrici, invece, l'attrazione del nucleo sui propri elettroni è forte e gli elettroni non possono allontanarsi dall'atomo cui appartengono.

Tutte le sostanze solide non metalliche sono isolanti.

Il campo elettrico

I corpi carichi elettricamente possono agire a distanza, cioè sono in grado di esercitare forze su cariche elettriche presenti in altri corpi.

Per studiare gli effetti a distanza di una carica elettrica si introduce il concetto di campo elettrico.

Il campo elettrico è una regione dello spazio in cui si manifestano forze elettriche.

Una carica elettrica situata in un campo elettrico possiede un'energia potenziale elettrica:

SIMBOLO UNITÀ DI MISURA ENERGIA POTENZIALE ELETTRICA U joule (J): è la stessa unità delle altre forme di energia

L'energia potenziale elettrica

L'energia potenziale elettrica di una carica situata in un campo elettrico dipende dalla carica e dalla sua posizione nel campo.

Se una carica libera si muove sotto l'azione del campo elettrico, il lavoro eseguito dalle forze di un campo elettrico per spostare la carica elettrica tra due punti A e B del campo è uguale alla differenza di energia potenziale elettrica.

A q 0 B energia potenziale elettrica nel punto A lavoro delle forze di un campo elettrico ·L = UA - UB energia potenziale elettrica nel punto B

Il potenziale elettrico

Spesso si considera il lavoro eseguito per spostare una carica q = 1 C.

Dividendo il lavoro per la carica, si ottiene:

LUA_UB

Si introduce allora una nuova grandezza, il potenziale elettrico V:

il potenziale elettrico è il rapporto tra l'energia potenziale elettrica di una carica posta in un punto del campo e la carica stessa.

potenziale elettrico energia potenziale elettrica U V =- q carica

L'unità di misura del potenziale è il volt (V).

1 V = 1 J 1 C

La differenza di potenziale

Riscriviamo l'espressione del lavoro per spostare una carica unitaria:

differenza tra il potenziale elettrico in A e il potenziale elettrico in B L -= VA-VB=AV q

Il lavoro compiuto dalle forze del campo elettrico per spostare una carica elettrica di 1 C da un punto a un altro del campo è uguale alla differenza di potenziale (d.d.p.) AV tra i due punti.

La d.d.p. viene chiamata anche tensione elettrica perché tra due punti con potenziale diverso si crea una tensione, cioè la tendenza a stabilire un equilibrio elettrico, che si realizza con un passaggio di elettroni.

Generatori di tensione elettrica

La d.d.p. tra due corpi carichi può produrre una corrente elettrica.

Per mantenere la d.d.p. tra i due corpi si usano dei dispositivi chiamati generatori di tensione

Nelle pile si ottiene una d.d.p. tra i poli elettrici grazie a reazioni chimiche.

Quando le reazioni non avvengono più, le pile sono scariche.

+ O Nelle pile il polo positivo (segno +) è il punto a potenziale maggiore; il polo negativo (segno -) è il punto a potenziale minore.

Gli accumulatori sono pile ricaricabili in cui le reazioni chimiche che producono la d.d.p. sono reversibili: grazie a un alimentatore avviene la ricarica.

La corrente elettrica

Se un tubo collega due recipienti che contengono liquido a livelli diversi, il liquido scorre nel tubo dal recipiente a livello più alto verso quello a livello più basso, finché i livelli nei due recipienti diventano uguali.

In modo simile, se un filo conduttore collega due corpi con potenziali elettrici diversi, si innesca una scarica elettrica, cioè un passaggio di cariche che ristabi"-"trico tra i due corpi.

Il moto delle cariche elettriche si manifesta con l'accensione della lampadina.

interruttore lampadina ENERGY 4,5 V pila fili elettrici

I fili elettrici corrispondono ai tubi e sono attraversati dalle cariche elettriche.

La corrente elettrica: flusso di cariche

Torniamo ai recipienti: per mantenere il flusso di acqua, occorre una pompa che riporti acqua per tenere alto il livello nel recipiente.

Così, per mantenere un movimento di cariche elettriche, occorre un dispositivo in grado di mantenere una differenza di potenziale.

La corrente elettrica è un flusso di cariche elettriche che si stabilisce in un conduttore sotto l'azione di una differenza di interruttore potenziale elettrico.

lampadina ENERGY 4,5 V pila fili elettrici

La pila, come una pompa, "innalza" il livello di energia potenziale elettrica delle cariche.

Il circuito elettrico

Per mantenere una corrente elettrica, è necessario disporre di un circuito elettrico costituito da una sequenza di conduttori che comprendano almeno:

• un generatore di tensione, come la pila, indicato dal simbolo (il segmento più corto indica il polo negativo);
• un utilizzator- corrente + e- + La lampadina è accesa - interruttore chiuso

Per convenzione, la corrente elettrica percorre i conduttori dal polo positivo al polo negativo del generatore, in senso opposto al moto degli elettroni.

Intensità di corrente elettrica

Consideriamo un flusso di cariche elettriche in un conduttore e indichiamo con S una sezione trasversale al flusso di cariche.

1 e e 0 + e- e S

L'intensità della corrente elettrica è la quantità di carica che attraversa la sezione del conduttore nell'unità di tempo.

quantità di carica che passa attraverso la superficie S nel tempo t intensità della corrente elettrica I Q At intervallo di tempo

L'intensità di corrente esprime la rapidità con cui le cariche elettriche si spostano in un conduttore.