CORRENTE ELETTRICA

La corrente elettrica continua

1. I molti volti dell'elettricità
2. Intensità della corrente elettrica
3. Generatori di tensione e circuiti elettrici
4. Prima legge di OHM
5. Resistori in serie e in parallelo
6. Legge di KIRCHHOFF
7. L'effetto Joule: trasformazione da energia elettrica ad energia interna
8. La forze elettromotrice e la resistenza interna di un generatore di tensione

MOLTI VOLTI DELL'ELETTRICITA'

• Le macchine elettrostatiche
• L'elettricità delle nuvole
• L'elettricità animale
• L'invenzione di Alessandro Volta

L'ELETTRICITA' DELLE NUVOLE

LE MACCHINE ELETTROSTATICHE

L'elettricità è stata a lungo oggetto di pura curiosità e meraviglia. Infatti nel 700 furono inventate molte macchine elettrostatiche in grado di produrre spettacolari scintille ed effetti di grande impatto visivo e sonoro e furono molti anche gli esperimenti fatti. Un esperimento elettrostatico fu svolto dal fisico francese Jean-Antoine Nollet. Egli pose un'asta d'acciaio con corde di seta a pochi millimetri di una sfera conduttrice collegata a un generatore elettrostatico, la ruota girevole sulla destra che si carica per strofinio. L'uomo avvicina un dito all'asta, caricata per induzione dalla sfera conduttrice, e provoca una scarica elettrica.

Nel 1750 lo scienziato Franklin ideò un esperimento per dimostare che il fulmine è un fenomeno elettrico analogo alla scintilla, provocata dalla scarica in area di due conduttori. In particolare, la scarica avviene più facilmente quando uno dei conduttori ha una forma appuntita, dove le cariche si accumulano generando forze più interne. A questo scopo Franklin progettò di fissare in cima ad un edificio elevato una lunga e aguzza asta metallica. Il 10 maggio 1752 la punta attirò un fulmine durante una tempesta, traendo così scintille dalle nubi. Nacque così il parafulmine in grado di disperdere al suolo le cariche dell'atmosfera

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L'INVENZIONE DI ALESSANDRO VOLTA

L'ELETTRICITA' ANIMALE

Nel 1780 il fisiologo Galvani incominciò i primi esperimenti elettrofisiologici sulle rane, per studiarne il moto muscolare, scoprì un fenomeno del tutto nuovo: quando si toccavano con un oggetto metallico i nervi di una rana senza vita e nelle vicinanze una macchina elettrostatica produceva una scintilla, i muscoli della rana si contraevano. Galvani ipotizzò che l'animale possedesse un proprio fluido elettrico, accumulato nei muscoli, in grado di circolare nell'organismo.

La rana costituiva un sensibilissimo strumento di misura del paesaggio o "trascorrimento" del fluido elettrico. Volta dimostrò che a generare il moto del fluido nei muscoli non era un principio biologico (quello che Galvani chiamò elettricità animale) bensì il contatto tra materiali aventi proprietà elettriche diverse. La differenza di potenziale tra il tessuto organico e il metallo produceva corrente elettrica. Utilizzando questo processo Volta realizzò il primo apparato in grado di generare un ciclo continuo di corrente: la pila. Essa divenne lo strumento fondamentale per lo studio della corrente elettrica.

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L'INTENSITA' DELLA CORRENTE ELETTRICA

• Il verso della corrente
• La corrente continua

Si chiama CORRENTE ELETTRICA un moto ordinato di cariche elettriche

Per dire quanto vale la corrente elettrica introduciamo una nuova grandezza, l' INTENSITA' DI CORRENTE ELETTRICA (i)

Si chiama INTENSITA' DI CORRENTE ELETTRICA il rapporto tra la quantità di carica che attraversa una sezione trasversale di un conduttore e l'intervallo di tempo impiegato

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AMPEROMETRO

carica elettrica (C)

intensità di corrente elettrica (A)

Strumento per misurare l'intensità di corrente. Può essere digitale o analogico.

intervallo di tempo (s)

La sua unità di misura è l'ampere

IL VERSO DELLA CORRENTE

Si definisce come VERSO DELLA CORRENTE ELETTRICA quello in cui si muovono le cariche positive

di conseguenza,

il verso convenzionale della corrente elettrica è quello che fa passare da punti a potenziale più alto verso punti a potenziale più basso

CARICHE POSITIVE: si muovono nel verso campo elettrico CARICHE NEGATIVE: si muovono nel verso opposto rispetto al campo elettrico

Per creare una corrente elettrica serve una differenza di potenziale elettrico.

LA CORRENTE CONTINUA

Una corrente si dice CONTINUA quando la sua intensità non cambia nel tempo. La carica e il tempo sono direttamente proporzionali.

Paso 3

Paso 1

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i = Q / T

I GENERATORI DI TENSIONE E I CIRCUITI ELETTRICI

• Il ruolo del generatore
• I circuiti elettrici
• Collegamento in serie
• Collegamento in parallelo

La differenza di livello tra due recipienti di liquido collegati da una conduttura genera una corrente. Però man mano che il liquido fluisce la corrente tende ad annullare il dislivello.2

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

Quando il liquido si trova allo stesso livello in entrambi i recipienti la corrente si arresta.

La pompa preleva il liquido dal recipiente in cui il livello è basso e lo porta in quello in cui il livello è alto, conservando così il dislivello che causa la corrente.

IL RUOLO DEL GENERATORE

Si chiama "generatore" ideale di tensione 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.

Un CIRCUITO ELETTRICO è un insieme di conduttori connessi tra loro e collegati a un generatore

Se la catena dei conduttori non è interrotta, il circuito si dice CHIUSO e in esso passa corrente elettrica.

CIASCUN ELEMENTO DI UN CIRCUITO E' INDICATO DA UN SIMBOLO

Se la catena è interrotta, il circuito è APERTO e non c'è corrente.

COLLEGAMENTO IN SERIE

Più conduttori sono collegati in SERIE se sono posti in successione tra loro. In essi passa la stessa corrente elettrica

Un esempio sono le lampadine dell'albero di Natale. Quando una lampadina si brucia il circuito in serie si apre, la corrente smette di circolare e tutte le altre si spengono

COLLEGAMENTO IN PARALLELO

Ad esempio, nell'impianto elettrico di casa tutti gli utilizzatori sono collegati in parallelo.

Più conduttori sono legati in PARALLELO se hanno i primi terminali connessi tra loro e anche i secondi connessi tra loro. Essi sono sottoposti alla stessa differenza di potenziale.

in parallelo, i singoli utilizzatori funzionano in modo indipendente.

LA PRIMA LEGGE DI OHM

• L'enunciato della legge e la resistenza elettrica
• I resistori

Misuriamo la differenza di potenziale con un voltmetro: questo dev'essere collegato in parallelo al conduttore, in modo che abbia tra i suoi capi la stessa differenza di potenziale.

Misuriamo la corrente elettrica con un amperometro: questo dev'essere collegato in serie con il conduttore, in modo che sia attraversato dalla stessa corrente.

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Il fisico tedesco Georg Simon Ohm verificò sperimentalmente che esiste un'ampia classe di conduttori, detti conduttori ohmici, per i quali la curva caratteristica è una retta passante per l'origine degli assi ΔV e i.

La prima legge di Ohm afferma che: nei conduttori ohmici l'intensità di corrente è direttamente proporzionale alla diferenza di potenziale applicata ai loro capi.

Si chiama resistore un componente dei circuiti elettrici che segue la prima legge di Ohm.

La costante R si chiama resistenza elettrica e si misura in volt fratto ampere (V/A). L'unità di misura è chiamata ohm (Ω).

Resistori in serie e in parallelo

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 i.

• Resistori in serie
• Resistori in parallelo

Se chiamiamo ieq la corrente assorbita, si ha:

Resistori in serie

L'intensità della corrente in entrambi i conduttori è uguale:

Invece il ΔV totale è la somma delle singole differenze di potenziale ai capi di R1 e R2:

Poiché è

si ha:

dunque

Generalizzando al caso di n resistori in serie, si ottiene che la resistenza equivalente di più resistori posti 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.

Resistori in parallelo

La corrente erogata dal generatore è uguale alla somma delle correnti nei due resistori:

l'inverso della resistenza equivalente di più resistori posti in parallelo è uguale alla somma degli inversi delle resistenze dei singoli resistori:

Per due resistori si ha:

poiché otteniamo:

Ogni resistore aggiunto diminuisce la resistenza totale, perché offre una possibilità in più al passaggio della corrente elettrica.

Le leggi di Kirchhoff

• La legge dei nodi
• La legge delle maglie

Fisico e matematico tedesco nato il 12 marzo 1824

- un NODO è un punto in cui convergono tre o più conduttori; - ciascuno dei conduttori che congiungono due nodi costituisce un RAMO; - due o più rami che hanno estremi comuni, cioè che connettono i due stessi nodi formando un tratto chiuso del circuito, costituiscono una MAGLIA.

LA LEGGE DELLE MAGLIE

LA LEGGE DEI NODI

la somma algebrica delle differenze di potenziale che si incontrano perocorrendo una maglia è uguale a zero

la somma delle intensità di corrente entranti in un nodo è uguale alla somma di quelle uscenti

L'EFFETTO JOULE: TRASFORMAZIONE DI ENERGIA ELETTRICA IN ENERGIA INTERNA

• la potenza dissipata per effetto Joule
• dimostrazione della formula della potenza dissipata
• la potenza di un generatore ideale
• la conservazione dell'energia nell'effetto Joule
• il kilowattora

Alcuni elettrodomestici contengono un resistore che si scalda quando è attraversato da corrente.

La trasformazione di energia elettrica in energia interna si chiama effetto Joule.

LA POTENZA DISSIPATA PER EFFETTO JOULE

In un resistore percorso da corrente, la potenza dissipata per effetto Joule esprime la rapidità con cui l'energia elettrica è trasformata in energia interna del resistore.

intensità di corrente (A)

potenza dissipata (W)

resistenza (Ω)

DIMOSTRAZIONE DELLA FORMULA DELLA POTENZA DISSIPATA

Per un resistore di estremi A,B e resistenza R la prima legge di Ohm dice che:

La corrente i che attraversa il resistore, in un tempo Δt porta la carica:

Il lavoro fatto dal campo elettrico per spostare q è:

Quindi la potenza è data da:

Possiamo scriverla anche così: P= i ΔV

Questa formula vale per qualunque conduttore, anche non ohmnico. Nel caso di un conduttore ohmnico possiamo scrivere la relazione: ΔV=Ri che sostituita in quella precedente dà: P= iΔV=i(Ri)=Ri^2, ovvero la formula iniziale

LA POTENZA DI UN GENERATORE IDEALE

Pg = i ΔV

differenza di potenziale tra i poli (V)

potenza del generatore (W)

intensità di corrente erogata (A)

LA CONSERVAZIONE DELL'ENERGIA NELL'EFFETTO JOULE

Joule fece un importante esperimento: fece passare una corrente (i) in un resistore immerso in acqua per un tempo ΔT ; misurò l'aumento di temperatura ΔT dell'acqua. Joule verificò sperimentalmente che l'energia elettrica dissipata nel resistore: è uguale all'energia assorbita dall'acqua:

IL RISULTATO DELL'EPERIMENTO E' UNA CONFERMA CHE ANCHE PER I FENOMENI ELETTRICI VALE IL PRINCIPIO DI CONSERVAZIONE DELL'ENERGIA TOTALE

Il Kilowattara

E' l'unità di misura dell'energia (non della potenza) ed indica l'energia assorbita in un'ora da un dispositivo che assorbe una potenza di 1000 W. Il suo simbolo è kWh e viene utilizzato per il conteggio dell’energia elettrica. 1kWh= 1000W X 3600s= 3,6X10^6 J

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FORZA ELETTROMOTRICE E LA RESISTENZA INTERNA DI UN GENERATORE DI TENSIONE

• La definizione di forza elettromotrice
• La resistenza interna
• Il generatore reale di tensione

All'interno di un generatore vi sono forze che lavorano contro il campo elettrico, per riportare le cariche positive verso il polo "+" e gli elettroni verso il polo "-".

La FORZA ELETTROMOTRICE (Fem) di un generatore è il rapporto tra il lavoro (W) compiuto per spostare una carica (q) al suo interno e la carica stessa

fem=Wq

carica elettrica (C)

forza elettromotrice (V)

lavoro (J)

La forza elettromotrice di un generatore IDEALE di tensione è la differenza di potenziale che esso mantiene ai suoi estremi

Per un generatore REALE la forza elettromotrice è la differenza di potenziale MASSIMA tensione che si può avere tra i suoi poli

Per descrivere questo calo di tensione associamo ad ogni generatore reale una RESISTENZA INTERNA (r)

essa misura l'impedimento al moto delle cariche all'interno del generatore

Il generatore reale di tensione

• Esso è descritto come un generatore "ideale" con forza elettromotrice, posta in serie a una resistenza interna (r).

r = fem/icc

i cc= corrente di corto circuito; misurato con l'amperometro.

ELETTROMETRO: strumento per misurare la forza elettromotrice di un generatore.

"Frema natura, e i combattuti arcaniCeda all'intenta chimica pupilla: Fulminea voli elettrica scintilla Per gli oceàni: Umana industria in divo lume avvolta Spezzi il mistero e le sognate porte, E minacciando insultino a la morte Galvani e Volta"

Giosué Carducci, Agl'Italiani (vv.9.16), da Juvenilia, 1850-1860

REALIZZATO DA:

1. Bifulco Menia
2. Saviano Asia
3. D'Avino Mariarca
4. Ranieri Monir