La Corrente Elettrica: flusso di cariche e leggi di Ohm

La Corrente Elettrica

La corrente elettrica è un flusso ordinato di cariche elettriche. L'aggettivo "ordinato" indica che le cariche si muovono mediamente nella stessa direzione. Per ottenere un flusso ordinato di cariche in un conduttore è necessario stabilire una differenza di potenziale tra le estremità del conduttore. Un generatore di tensione (detto anche generatore di forza elettromotrice, per esempio una pila) serve per generare questa differenza di potenziale e mantenerla nel tempo. Quando le estremità di un filo metallico sono collegate ai poli di un generatore, all'interno del filo è presente un campo elettrico che esercita una forza elettrica sugli elettroni di conduzione presenti all'interno del filo. 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 «-» + 1 potenziale maggiore E - potenziale minore - - - - gli elettroni mobili scorrono incontro a É, da «-» a «+»

Osservazione sul Moto degli Elettroni

Allo stato solido, i metalli presentano un reticolo cristallino di ioni positivi immerso in un "mare di elettroni". Gli elettroni condivisi dagli atomi sono liberi di spostarsi all'interno del metallo e si muovono a grande velocità in maniera continua, casuale e disordinata. Per avere una corrente elettrica in un filo metallico è necessario che questi elettroni (detti elettroni di conduzione) vengano "forzati" a muoversi tutti mediamente nella stessa direzione. Quando viene applicata una differenza di potenziale alle estremità del filo metallico, il moto degli elettroni di conduzione risulta essere un susseguirsi di accelerazioni dovute alla forza elettrica e di "frenate" causate dai frequenti urti contro gli atomi del reticolo cristallino. Ne risulta una velocità di deriva, cioè una velocità di spostamento lungo il filo, estremamente bassa rispetto a quella del moto casuale.

L'Intensità di Corrente Elettrica

Considero un conduttore e una sua sezione trasversale S. Nell'intervallo di tempo At la sezione S è attraversata dalla quantità di carica AQ. le cariche positive scorrono nel verso della corrente un conduttore non metallico può avere cariche mobili di entrambi i segni verso della corrente S +- 0 - - + + +- +- - + T - le cariche negative scorrono nel verso opposto L'intensità media di corrente elettrica è intensità di corrente elettrica (A) carica elettrica (C) i= AQ At intervallo di tempo (s) L'intensità di corrente elettrica è una grandezza fisica fondamentale e la sua unità di misura è l'ampere (A). +-

Definizioni e Osservazioni

• Corrente continua: corrente la cui intensità i è costante, cioè non cambia nel tempo.
• Generatore di tensione continua: generatore che produce una differenza di potenziale costante.
• Circuito elettrico: insieme di conduttori collegati tra loro e collegati ad almeno un generatore di tensione.
  • Se il circuito è chiuso c'è una corrente elettrica che lo attraversa.
  • Se il circuito è aperto non circola corrente.

Simboli Elettrici

Generatore di tensione continua + - Lampadina Filo di collegamento Interruttore aperto - Interruttore chiuso Nei conduttori metallici le cariche elettriche che si spostano sono gli elettroni (cariche negative, che si muovono spontaneamente dal polo - al polo +). Per convenzione, però, il verso della corrente elettrica è quello che avrebbero le cariche positive, quindi dal polo + al polo -.

La Prima Legge di Ohm

Per molti conduttori, tra cui i metalli, l'intensità di corrente che scorre nel conduttore e la differenza di potenziale presente tra le sue estremità sono direttemente proporzionali. intensità di corrente elettrica (A) differenza di potenziale (V) i= AV R resistenza elettrica (22) La resistenza elettrica rappresenta l'opposizione di un conduttore al passaggio di corrente e si misura in ohm (22, lettera greca "omega"). + o intensità di corrente i per un conduttore ohmico, la curva caratteristica è una retta passante per l'origine la curva caratteristica di un conduttore è il grafico di i in funzione di AV > differenza di potenziale AV Un componente elettrico che segue la prima legge di Ohm è detto resistore e nei circuiti si rappresenta con una linea a zigzag.

La Seconda Legge di Ohm

La resistenza di un filo conduttore è direttamente proporzionale alla sua lunghezza e inversamente proporzionale alla sua area trasversale. resistenza elettrica (22) lunghezza (m) R=PA 1 resistività (22 · m) area trasversale (m2) La resistività si indica con la lettera greca "rho".

Caratteristiche della Resistività

La resistività: · dipende dal materiale di cui è fatto il filo (dalle struttura interna del materiale) e in base ai valori di resistività possiamo stabilire se i materiali sono conduttori (resistività molto piccola) o isolanti (resistività molto elevata); · dipende dalla temperatura e per i metalli aumenta al crescere della temperatura; un aumento del moto di agitazione termica degli atomi del reticolo cristallino comporta infatti una maggiore opposizione al passaggio degli elettroni di conduzione, perché aumenta il numero tra questi ultimi e gli atomi del reticolo.

Resistori in Serie e in Parallelo

In un circuito possiamo trovare anche diversi resistori collegati tra loro e in molti casi è necessario determinare la resistenza equivalente del circuito. La resistenza equivalente è una combinazione delle resistenze presenti nel circuito e si calcola in modo diverso a seconda che i resistori siano posti in serie oppure in parallelo. La resistenza equivalente di una rete di resistori è la resistenza di un singolo (ipotetico) resistore che, sottoposto alla stessa differenza di potenziale della rete, assorbe la stessa corrente elettrica.

• Due o più resistori R1, R2 ecc. sono collegati in serie quando sono posti in successione e sono attraversati dalla stessa corrente. In questo caso la resistenza equivalente Req è Reg = R1 + R2 + ... + Rn
• Due o più resistori R1, R2 ecc. sono collegati in parallelo se hanno le estremità in comune e se sono sottoposti alla stessa differenza di potenziale. In questo caso la resistenza equivalente Req si ottiene dalla seguente relazione 1 Red eq = 1 R1 R2 1 + . . + R 1 n

Esercizio sui Resistori

Un circuito è formato da tre resistenze collegate in serie a una batteria da 24,0 V. La corrente nel circuito è di 0,0320 A. Sapendo che R1 = 250 2 e R2 = 150 22, calcola: · il valore di R3; · la differenza di potenziale ai capi di ciascuna resistenza. Le stesse tre resistenze sono collegate in parallelo con la stessa batteria. Calcola: · la corrente totale fornita dalla batteria; · la corrente che passa attraverso ciascuna resistenza.

Dati dell'Esercizio

DATIS AV = 24 V 1 = 0,032 A R1 = 250 L R2 = 150 R R1 1 1 + AV 1 SR2 n R3 R3? AVI? AV2 ? AV3? Reg = = = = 750 R 0,032 Reg = R1+R2+R3 - R3= Req-Rn-R= = 750- 250- 150= = 350 M le tu resistenze sono in serie quindi sono attraversate dalla stessa corrente i = 0,032 A 1V1 = i . R1 = 0,032.250 = 8V AV2 = i. R= = 0,032.150 = 4,8 V assenare che AV1+DV2+AV3 = AV (8+4,8 +11, 2 = 24) 24 11 250 AV3 = i . R3 = 0, 032. 350 = 11,2 V dire che il generatore di tensione ha una differenza di potenziale (trazione) di 24 V significa che la differenza di potenziale tra il polo 4 e il polo@ del generatore è di 24 v ( per esempio, il polo 1 ha un potenziale di 24 V e il polo 0 ha un potenziale di ( V). La AV è in pratica" l'energia a disposizione delle cariche per compiere un giro del circuito dal polo 7 al polo @" e nel passaggio attraverso ciascuna resistenza una parte di questa energia viene dissipata (8V attraverso R1. 4.8V attraverso R2 e 11,2V attraverso R3). ORA LE STESSE RESISTENZE SONO IN PARALLELO i? 1 + AV - R2} + R3 } |23 1 = 1 + 1 + 1 230 + 1 + 150 1 = 0, 0 135 1 350 Reg = (0, 0135)-1 = 73,9-2 osseniano che la resistenza equivalente è molto più piccola rispetto all'esercizio precedente in cui le resistenze erano in serve i = - 24 73,9 + 0, 325 A molto più grande rispetto all'e= servizio precedente le tre resistenze sono in parallelo quindi sono sottoposte alla stessa differenza di potenziale AV = 24 V in= = = R1 osservare che 12 = = = AV R2 24 150 = 0, 16 A 11+ 12 + 13 = i (0,096+0,16+0,069= 0,325) i3 = R3 AV = 24 350 0,069 A in? iz ? i? ? 12 Ray R1 R2 R3 = AV Rep = 0,096 A

L'Effetto Joule

L'effetto Joule è la trasformazione di energia elettrica in energia interna che avviene ogni volta che una corrente attraversa un conduttore. In altre parole, l'effetto Joule è il fenomeno per cui un conduttore percorso da corrente si scalda. Nei metalli l'effetto Joule è dovuto agli urti tra gli elettroni di conduzione e gli atomi del reticolo cristallino poiché in ogni urto l'elettrone trasferisce energia cinetica all'atomo. La potenza dissipata per effetto Joule è l'energia elettrica che viene dissipata in un secondo: P= iAV

Formule per Conduttori Ohmici

Se il conduttore è ohmico, quindi se per esso vale la prima legge di Ohm, valgono anche le seguenti formule: potenza dissipata (W) resistenza (22) P = Ri2 intensità di corrente (A) P = R Un kilowattora è l'energia trasformata in un'ora da un dispositivo che assorbe la potenza di 1000 W. 1 kWh = (1000 W) (3600 s) =3,6×106 ]

Esercizio sulla Potenza Dissipata

· Calcolare la potenza dissipata da tutte le resistenze dell'esercizio precedente. · quando le resistenze sono in SERIE P1 = R; + 2 = 250. 0, 032 2 = 0, 256 W P2 = R2. 12 = 150. 0, 032 2 = 0, 154 W P3 = R3 12 = 350 · 0,032 = 0,358 W la potenza totale dissipato dal circuito è PTOT = P1 + P2 + P3 = 0,76 8 W · quando le resistenze sono in parallelo. P1= R1 . 11 = 250. 0, 096 = 2,3 W P2 = R2 - 12 = 150 . 0, 16 2 = 3 , 84 W P3 = R3 . 13 = 350 · 0, 069 2 = 1,65 W la potenza totale dissipato dal circuito è PTOT = P1 + P2 + P3 = 7,79 W is quando le resistenze sono in parallelo la potenza dissipata (l'ener. gia dissipato) è molto maggiore.