Le leggi della conduzione elettrica nei resistori e l'effetto Joule

LE LEGGI DELLA CONDUZIONE ELETTRICA

Resistori e Leggi di Ohm

C16.3 LE LEGGI DELLA CONDUZIONE ELETTRICA LE LEGGI DELLA CONDUZIONE ELETTRICA Resistori Prima legge e seconda legge di Ohm

• Energia e potenza elettrica

Resistenza e temperatura Effetto Joule e legge di Joule Rendimento Scienze integrate (Fisica) I.T.I.S. «E. Mattei» SONDRIO Prof. Giacomo QuadrioC16.3 LE LEGGI DELLA CONDUZIONE ELETTRICA N. 2

LA CONDUZIONE ELETTRICA NEI RESISTORI

• I resistori sono dispositivi dove l'energia elettrica di una corrente viene convertita in energia termica di un filo metallico. Vi è un resistore nelle lampadina a filamento, nei ferri da stiro, nei tostapane, negli asciuga capelli. Nelle lampadine il resistore è costituito da un filo di tungsteno, negli altri casi da un filo di nichel- cromo o costantana.

-Ariete Scienze integrate (Fisica) I.T.I.S. «E. Mattei» SONDRIO Prof. Giacomo QuadrioC16.3 LE LEGGI DELLA CONDUZIONE ELETTRICA N. 3

I RESISTORI NEI CIRCUITI ELETTRONICI

• Con scopi differenti, i resistori sono utilizzati anche nei circuiti elettronici. In genere appaiono come cilindri colorati e sono realizzati depositando sulla superficie di un cilindro di ceramica uno strato di lega metallica o ossidi metallici o carbone, successivamente inciso con un raggio laser per ottenere le caratteristiche desiderate.
• Le linee colorate indicano il valore della resistenza del resistore.

colore 1º anello 2º anello 3º anello 4º anello 1º cifra 2º cifra moltiplicatore tolleranza nero 0 x1 marrone 1 1 ×10 rosso 2 2 x100 arancione 3 3 x1000 (1ΚΩ) giallo 4 4 x10000 (10ΚΩ) verde 5 5 x100000 (100ΚΩ) blu 6 6 x1000000 (ΙΜΩ) viola 7 7 x10000000 (10ΜΩ ) - grigio 8 8 x100000000 - bianco 9 9 - 5% oro - :10 10% argento - - :100 20% DOVR 220 IQ. VR 1K MJE340 100m./ 1 08 2.2nF 2m2J100 1N4148 15pF P-SERES 2SC4793 47pF Scienze integrate (Fisica) I.T.I.S. «E. Mattei» SONDRIO Prof. Giacomo QuadrioN. 4 C16.3 LE LEGGI DELLA CONDUZIONE ELETTRICA

PRIMA LEGGE DI OHM

• Facendo variare la tensione alle estremità A e B di un resistore, si ha una variazione della corrente elettrica che attraversa il resistore: se la temperatura del resistore non varia, si ricava sperimentalmente che tra tensione e intensità di corrente vi è proporzionalità diretta.
• La relazione trovata è espressa dalla prima legge di Ohm: AB = Ri
• Il valore della costante di proporzionalità è detto resistenza elettrica del resistore; essa rappresenta la resistenza opposta dal reticolo cristallino all'avanzamento degli elettroni di conduzione ed è causata dagli urti degli elettroni di conduzione contro gli ioni positivi del reticolo cristallino.
• Nel sistema internazionale l'unità di misura della resistenza è ohm (22) dal nome del fisico tedesco Georg Ohm (1789-1854); un ohm corrisponde a un volt diviso un ampere.

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SECONDA LEGGE DI OHM

• La resistenza di un filo metallico dipende dalle caratteristiche del reticolo cristallino della sostanza di cui è costituito il filo, ma anche dalla lunghezza «I» e dall'area della sezione «A» del filo: 1 R = P
• Al crescere della lunghezza del filo, aumenta il numero di urti degli elettroni contro il reticolo cristallino, pertanto al crescere della lunghezza aumenta la resistenza del filo conduttore.
• Al crescere della sezione del filo, aumenta la corrente elettrica in transito, cioè diminuisce la resistenza elettrica del filo.
• Ciò che accade agli elettroni di conduzione in moto in un conduttore metallico, come anche alle auto, che transitano su una strada.

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RESISTIVITÀ E TEMPERATURA

• Il parametro p (ro) è chiamato resistività, dipende dal tipo di sostanza e dalla temperatura del conduttore.

. Per realizzare i fili di collegamento di un circuito elettrico si utilizza il rame che ha una resistività molto bassa, cosicché la resistenza dei cavi è praticamente nulla.

• Nei metalli al crescere della temperatura del reticolo cristallino, ovvero della sua agitazione molecolare, si ha un aumento della resistività: P= P20 . [1+ a(T-20)]
• P20 è la resistività a 20℃
• a è detto coefficiente di temperatura e dipende dalla sostanza
• T è la temperatura in gradi Celsius
• Quando si esegue l'esperienza relativa alla prima legge di Ohm, per ottenere un valore della resistenza costante, è importante che la temperatura del resistore rimanga il più possibile costante.

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ENERGIA ELETTRICA

• Con il termine energia elettrica si intende l'energia scambiata tramite la forza esercitata dal campo elettrico su una carica di prova q, ovvero il lavoro compiuto della forza esercitata da un campo elettrico su una carica di prova q: L = q · VAB
• Dalla definizione di intensità di corrente possiamo ricavare un'espressione per la carica elettrica: q = i · At
• Sostituendo nella formula del lavoro, otteniamo l'energia ceduta dal campo elettrico alla corrente elettrica: L = VAB · i · At

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POTENZA ELETTRICA

• La potenza è l'energia scambiata fratto l'intervallo di tempo, per cui la potenza elettrica di una corrente continua vale: P = VAB . i
• Anche nel caso della potenza elettrica, nel sistema internazionale l'unità di misura della potenza è il watt (1 V · 1 A = 1 J/C · 1C /s = 1J/s = 1 W).
• Ricordando la prima legge di Ohm, si possono ricavare altre formule per la potenza, valide solo per calcolare la potenza ceduta al reticolo dei resistori: P = R · i2 o in alternativa: P=1 AV2 R

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EFFETTO TERMICO DI UNA CORRENTE ELETTRICA

• Quando creiamo un campo elettrico in un conduttore metallico, collegandolo ad un generatore di tensione come una pila, gli elettroni di conduzione sono sottoposti ad una forza, di verso contrario al vettore campo elettrico. Ԧ Ē + + + Q - + + + + +
• Se gli elettroni si trovassero nel vuoto, si muoverebbero di moto uniformemente accelerato, come descritto dalla legge fondamentale della dinamica (F = ma).
• La presenza del reticolo cristallino rallenta l'avanzamento degli elettroni che si muovono a velocità costante.
• La corrente elettrica risulta costante nel tempo e viene detta corrente continua. i(A) t (s)

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CORRENTE ALTERNATA

• Quando il campo elettrico è generato in un circuito elettrico da un alternatore, il campo elettrico cambia verso regolarmente e le cariche elettriche si muovono alternatamente in un verso e nell'altro, cosicché si ha una corrente alternata.
• In Europa, nei circuiti elettrici, il periodo della corrente alternata è pari a 2 centesimi di secondo, pertanto la frequenza è pari a 50 Hz.
• Il valore efficace di una corrente alternata è quel valore di corrente continua che provoca, nei resistori, lo stesso effetto della corrente alternata. i(A) T valore efficace t (s)

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PRINCIPIO DI CONSERVAZIONE DELL'ENERGIA: L'EFFETTO JOULE

• Consideriamo un generatore di tensione, come una pila. Al suo interno, le reazioni chimiche di ossidoriduzione fanno sì che cariche positive e negative vengano separate e si creino un polo positivo ed uno negativo, che fungono da cariche sorgenti. All'interno della pila avviene la trasformazione dell'energia chimica dei reagenti nell'energia elettrica dei due poli.
• Se la pila viene inserita in un circuito elettrico, nel circuito elettrico si genera un campo elettrico il quale cede l'energia elettrica L alle cariche elettriche di prova, che nei metalli sono gli elettroni di conduzione.
• Gli elettroni di conduzione attraversano il reticolo cristallino del conduttore metallico, urtano gli ioni positivi, trasferiscono loro parte della propria energia cinetica, provocando l'aumento dell'agitazione molecolare, ovvero l'aumento di temperatura e dell'energia termica del conduttore.
• Il trasferimento di energia dalle cariche elettriche in movimento al reticolo cristallino è detto effetto Joule.

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LA LEGGE DI JOULE

• Lo scaldabagno elettrico, detto anche, è un dispositivo utilizzato per produrre acqua calda sanitaria, sfruttando il riscaldamento di un resistore percorso da corrente elettrica. Lo stesso principio è utilizzato per produrre acqua calda anche nelle lavatrici, nelle lavastoviglie e nei ferri da stiro.
• La legge fondamentale della termologia esprime il legame tra la variazione di temperatura e la variazione di energia termica di una sostanza (slide 13.1, N.4-5): AET= c . m . AT dove c indica il calore specifico della sostanza, cioè l'energia da fornire ad una massa unitaria (1 kg) per avere una variazione di temperatura unitaria (1°C=1 K). Il calore specifico dell'acqua vale 4186 J/ (kg · K).
• Il principio di conservazione dell'energia, nel caso di assenza di dispersioni di energia, permette di ricavare la legge di Joule: VAB · i · At = c . m . AT

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LEGGE DI JOULE E RENDIMENTO

• Nel caso, molto più realistico, in cui si verificano delle dispersioni di energia, in quanto sia il contenitore dell'acqua che l'ambiente esterno si riscaldano, il principio di conservazione dell'energia diventa: Ein = Eout + Edisp 0 Ein = energia in ingresso nello scaldabagno = energia elettrica della corrente elettrica: L = VA-B · i · At Eout = energia in uscita dallo scaldabagno utile = variazione di energia termica dell'acqua: AET= c . m . AT Edisp = energia dispersa, energia termica assorbita dal contenitore e dall'ambiente esterno
• Il rendimento n è un parametro che esprime l'efficienza di un processo: Eout Eout n = Ein oppure n = Ein · 100
• Il valore massimo del rendimento è 1, ovvero 100%.

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