La Corrente Elettrica: leggi di Kirchhoff e circuiti elettrici

La corrente elettrica

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C Luigi Galvani Alessandro Volta LA CORRENTE ELETTRICA TRATTO DA: I PROBLEMI DELLA FISICA- Cutnell, Johnson, Young, Standler - Zanichelli editore IL NUOVO AMALDI PER I LICEI SCIENTIFICI - Ugo Amaldi - Zanichelli editore Integrazioni e LO a cura del docenteLa corrente In una tazza di tè le molecole si muovono mescolandosi con quelle delle foglie di tè. Così, gli elettroni di un metallo viaggiano in modo disordinato a una velocità elevatissima. Questi moti non formano una corrente, perché i moti sono caotici.

Nelle condutture di una centrale idroelettrica l'acqua scorre da un bacino ubicato più in alto, verso il bacino a valle. In questo caso il movimento delle molecole costituisce una corrente, cioè un moto d'insieme.Moto caotico e moto di deriva Simulazioni al calcolatore della traiettoria di un elettrone di conduzione

Moto caotico e moto di deriva

Moto caotico dovuto all'agitazione termica Velocità 106 m/s A Moto di deriva dovuto alla d.d.p. Velocità 10-5 m/s S = VdAt BAndamento lento

Andamento lento delle cariche elettriche

Nel moto ordinato delle cariche elettriche, generato da una d.d.p. agli estremi di un filo conduttore, le cariche si muovono con velocità decisamente inferiore al moto caotico spontaneo delle cariche, tuttavia sebbene più lento, fa illuminare una lampadina o funzionare un computer.La corrente elettrica

Moto ordinato di cariche elettriche

Allo stesso modo, quando un filo elettrico è percorso da corrente, in esso tutti gli elettroni liberi si spostano nello stesso verso. Questo moto d'insieme si sovrappone ai movimenti disordinati, che sono sempre presenti.

Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

corrente - - tensione + generatore di tensioneChi genera la corrente?

Generazione della corrente

Un conduttore è attraversato da corrente elettrica se viene applicata agli estremi del filo una differenza di potenziale. A tale compito sono preposti i generatori di corrente.

GENERATORE AVVIAMENTO STG6500AE COD.60124N Vinca AVA BATTERY BOSCH 53 00200 IS3Intensità di corrente = flusso orientato di cariche

Intensità di corrente: flusso orientato di cariche

se un conduttore ha un'estremità «+» a potenziale maggiore e un'estremità «-» a potenziale minore, dentro il conduttore c'è un campo elettrico E orientato da «+» a «-» - + E potenziale maggiore - - potenziale minore gli elettroni mobili scorrono incontro a E, da «-» a «+»Intensità di corrente

Definizione di intensità di corrente

Consideriamo una sezione trasversale S di un conduttore percorso da corrente elettrica. Aspettiamo per un intervallo di tempo At e indichiamo con AQ la carica che oltrepassa in un verso fissato la sezione S in At.

Si chiama intensità di corrente elettrica il rapporto tra la quantità di carica che attraversa la sezione trasversale di un conduttore e l'intervallo di tempo impiegato.

I = AtIl verso della corrente

Verso della corrente

Si definisce come verso della corrente elettrica quello in cui si muovono le cariche positive, ovvero, il verso convenzionale della corrente elettrica è quello che fa passare da punti a potenziale più alto verso punti a potenziale più basso.

i + -A come ampere

Ampere: unità di misura

Una delle 7 unità fondamentali del SI è rappresentata dall'ampere, unità di misura dell'intensità di corrente, scelta in onore del Fisico André-Marie Ampère (1775-1836).

Una corrente ha l'intensità di 1 ampere quando corrisponde al passaggio di carica di un coulomb nel tempo di un secondo 1 C A = 1 1 s«СС» е «АС»

Corrente continua (DC) e alternata (AC)

Se le cariche si muovono in un circuito sempre nello stesso verso, si parla di corrente continua (DC): la corrente prodotta dalle batterie è continua. Quando il verso della corrente cambia nel tempo, si parla di corrente alternata (AC).

L'intensità di corrente si misura con l'amperometro, che può essere analogico o digitale.

12 19-La corrente continua

Corrente continua

Attraverso una lampadina collegata a una pila stilo, almeno per un po' di tempo, passa una corrente continua.

Una corrente si dice continua quando la sua intensità non cambia nel tempo.

Inoltre il senso della corrente continua è sempre lo stesso.

Su molti dispositivi che producono corrente continua si trova la sigla DC che sta per «Direct Current»La corrente continua - DC

Corrente continua - DC

Un generatore di tensione continua produce tra i terminali (il polo positivo, a potenziale maggiore, e il polo negativo, a potenziale minore) una differenza di potenziale costante, ossia indipendente dal tempo.

+

Intensità di corrente media e istantanea

Intensità di corrente media e intensità di corrente istantanea La carica che passa attraverso S dall'istante iniziale fino all'istante t è una funzione di t, che indichiamo con Q(t).

L'intensità di corrente media che attraversa la sezione di un filo è condizionata dall'intervallo di tempo At. Più piccolo è tale intervallo e più l'intensità media si avvicina a quella istantanea.

Im = Q (t + At) - Q(t) At carica Q(t + At) ΔQ a Q(t) &t it t + At 0 tempo diciamo che l'intensità istantanea I è il «limite per At che tende a zero» del rapporto tra i due incrementi I = lim Q (t + At) - Q (t) At-0 AtIntensità istantanea come derivata

Intensità istantanea come derivata

L'intensità di corrente istantanea I(t) attraverso una sezione trasversale S di un conduttore è la derivata rispetto al tempo della carica Q(t) che passa per S al tendere a zero dell'intervallo di tempo.

carica Q(t + At) Q(t) t t + At 0 tempo Per At che tende a zero, la retta secante tende alla retta tangente e AQ , coefficiente angolare della At dQ secante, tende alla derivata ada dt coefficiente angolare della tangenteQualche forzatura

Forzatura della derivata

La derivata interviene per descrivere grandezze matematiche e fisiche che variano con continuità mentre la carica elettrica aumenta o diminuisce solo per salti: ogni sua variazione non è mai inferiore, in valore assoluto, alla carica elementare e = 1,6022 × 10-19 C.

Al di sotto di questa soglia il concetto di «carica infinitesima» non corrisponde alla realtà fisica.

Ciò nonostante, la derivata resta uno strumento utile per l'analisi di molti fenomeni elettrici.ATTENZIONE!

Attenzione: corrente elettrica scalare

La corrente elettrica, pur avendo un verso di percorrenza, è una quantità scalare perché non possiede una direzione. Il moto delle cariche che costituisce la corrente è realizzato generando un campo elettrico nel conduttoreEffetti della corrente per tempi di contatto prolungato

Effetti della corrente per tempi di contatto prolungato

Valori di corrente Definizione Effetti 1-3 mA SOGLIA DI PERCEZIONE Non si hanno rischi o pericoli per la salute. 3-10 mA ELETTRIFICAZIONE Produce una sensazione di formicolio più o meno forte e può provocare movimenti riflessi. 10 mA TETANIZZAZIONE Si hanno contrazioni muscolari. Se la parte in tensione è stata afferrata con la mano si può avere paralisi dei muscoli, rendendo difficile il distacco. 25 mA DIFFICOLTÀ RESPIRATORIE Si hanno a causa della contrazione di muscoli addetti alla respirazione, e del passaggio di corrente per i centri nervosi che sovrintendono alla funzione respiratoria. 25-30 mA ASFISSIA La tetanizzazione dei muscoli della respirazione, può essere tale da provocare la morte per asfissia. 60-75 mA FIBRILLAZIONE Se la corrente attraversa il cuore può alterarne il regolare funzionamento, provocando una contrazione irregolare e disordinata delle fibre cardiache che può portare alla morte. L'effetto della corrente elettrica sull'organismo cambia drasticamente se la corrente è continua o alternata e in questo secondo caso anche in funzione della frequenza. La corrente alternata alle frequenze industriali adottate di 50 e 60 Hz costituisce un pericolo maggiore in quanto è in grado di indurre spasmi muscolari e fibrillazione cardiaca.

ZZZT!Generare la corrente

Generare la corrente

La differenza di livello tra due recipienti di liquido collegati da una conduttura genera una corrente.

• Quando il liquido si trova allo stesso livello in entrambi i recipienti, la cor- rente si arresta.

Per mantenere la corrente di liquido occorre ricreare il dislivello con una pompa.

pompa + -Analogia tra pompa e generatore

Analogia tra pompa e generatore

In modo simile, la differenza di potenziale genera una corrente elettrica. Questa corrente, man mano che fluisce, tende ad annullare la differenza di potenziale. Per mantenere la corrente, occorre ricreare il «dislivello» di potenziale con una pila o con un altro generatore di tensione.

+ 1,5 V alkaline POWER - e Si chiama generatore ideale di tensione continua un dispositivo capace di mantenere tra i suoi capi una differenza di potenziale costante, per un tempo indeterminato e qualunque sia la corrente da cui è attraversato.Simboli elettrici

Simboli elettrici

SIMBOLI ELETTRICI + - Generatore di tensione continua I Lampadina Filo di collegamento Interruttore aperto Interruttore chiusoEsempio di schema elettrico

Esempio di schema elettrico

Serie di utilizzatori i + 4,5V alkaline POWER i i i + - iEsercizi

Esercizi sulla corrente

Un filo è attraversato da una corrente elettrica pari a 5,0 x 10-3 A . · Calcola la carica totale che attraversa una sezione qualsiasi di filo ogni 10 s. · Calcola il numero n di elettroni che ogni secondo attraversano una sezione qualsiasi del filo.

Un filo di tungsteno è percorso da una corrente di 0,35 A. La carica che passa attraverso una qualunque sezione del filo è di 4,20 C. · Calcola il tempo necessario perché la carica data attra- versi la sezione del filo. [12 s]

Attraverso la sezione di un filo di rame passa in ogni mi- nuto la quantità di carica Q = 0,36 C. Calcola l'intensità di corrente che attraversa il filo. › Calcola il numero di elettroni che attraversano una se- zione del filo. [6,0 mA; 2,3 x 1018 elettroni al minuto]LE LEGGI DI OHM

Le leggi di Ohm

LEGGE DI PROPORZIONALITÀ E LEGGE GEOMETRICA Georg Simon Alfred Ohm (Erlangen, 16 marzo 1789 - Monaco di Baviera, 6 luglio 1854)La prima legge di Ohm

La prima legge di Ohm

L'intensità della corrente che attraversa un conduttore cambia al variare di V. Sperimentalmente si può verificare il comportamento di I al variare di V, tenendo costante la temperatura. Per tutti i conduttori metallici la curva è una retta che passa per l'origine: ciò significa che l'intensità di corrente è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale applicata I & V.

I = X R V L'intensità di corrente I che attraversa un conduttore metallico mantenuto a temperatura costante è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale V applicata ai suoi estremi:

V = R · I dove R è la resistenza elettrica del conduttore.Il significato di R

Significato della resistenza R

R esprime la resistenza che il conduttore oppone al passaggio di corrente. Per questa ragione R è detta resistenza elettrica del conduttore.

Nel SI l'unità di misura della resistenza è il volt/ampere, chiamata ohm e indicata con la lettera maiuscola greca omega (22). I conduttori che seguono la prima legge di Ohm sono detti conduttori ohmici o resistori.

W Resistore Conduttore