Elettricità 4 Dummies

Davide Cesare

davide.cesare.84@gmail.com

Nerd Open Workshop - Firenze 15/12/2012

Introduzione: «l’energia potenziale nella meccanica»

L’energia potenziale 𝑈 è la differenza tra l’energia posseduta da un oggetto in una data posizione 𝑈𝑎 e quella posseduta dallo stesso in una posizione di riferimento 𝑈0.

Esempio: Il sasso viene attratto dal campo gravitazionale terrestre ed ha energia

𝑬 = 𝒎𝒈𝒉

𝑬 ∝ 𝒉 l’energia è proporzionale all’altezza!

Analogia idraulica #1: «flusso acqua = corrente elettrica»

Prendiamo 2 cisterne collegate da una condotta

Appena il dislivello si azzera la corrente cessa immediatamente

Se c’è un dislivello tra le due cisterne

si crea una corrente di acqua nella condotta

h

Analogia idraulica #1: «flusso acqua = corrente elettrica»

Acqua attraverso la condotta nell’unità di tempo:

(portata)

𝑞 =𝑄𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖𝑡à 𝑎𝑐𝑞𝑢𝑎

𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜

Elettroni attraverso il filo nell’unità di tempo:

(corrente)

𝑖 =𝑄𝑢𝑎𝑛𝑡𝑖𝑡à 𝑒𝑙𝑒𝑡𝑡𝑟𝑜𝑛𝑖

𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜

Analogia idraulica #2: «differenza di livello = tensione elettrica»

Differenza Corrente di livello di acqua

Differenza Corrente di tensione elettrica

Differenti quantità di carica tra i due poli

Differenti quantità di acqua tra le due cisterne

Analogia idraulica #2: «differenza di livello = tensione elettrica»

- La carica elettrica non si genera dal nulla ma è sempre frutto di un lavoro. E’ necessario che qualche forza «strappi via» elettroni agli atomi che li possedevano

causa esempi

ossido-riduzione batterie

induzione magnetica dinamo, generatori

induzione elettrostatica

temporali, generatori di Van de Graaff

luce celle fotovoltaiche

calore termocoppie

deformazione meccanica

cristalli piezoelettrici

http://it.wikipedia.org/wiki/Ossido-riduzionehttp://it.wikipedia.org/wiki/Ossido-riduzionehttp://it.wikipedia.org/wiki/Ossido-riduzionehttp://it.wikipedia.org/wiki/Batteria_(chimica)http://it.wikipedia.org/wiki/Induzione_magneticahttp://it.wikipedia.org/wiki/Dinamohttp://it.wikipedia.org/wiki/Generatore_elettricohttp://it.wikipedia.org/wiki/Induzione_elettrostaticahttp://it.wikipedia.org/wiki/Induzione_elettrostaticahttp://it.wikipedia.org/wiki/Temporalehttp://it.wikipedia.org/wiki/Generatore_di_Van_de_Graaffhttp://it.wikipedia.org/wiki/Generatore_di_Van_de_Graaffhttp://it.wikipedia.org/wiki/Generatore_di_Van_de_Graaffhttp://it.wikipedia.org/wiki/Lucehttp://it.wikipedia.org/wiki/Modulo_fotovoltaicohttp://it.wikipedia.org/wiki/Calorehttp://it.wikipedia.org/wiki/Termocoppiahttp://it.wikipedia.org/wiki/Deformazionehttp://it.wikipedia.org/wiki/Deformazionehttp://it.wikipedia.org/wiki/Piezoelettricit%C3%A0

Analogia idraulica #3: «diametro condotta = resistenza elettrica»

Scorre un flusso «x»

Il flusso diminuisce

Il flusso aumenta

E questa? ? 𝑅 =

8η𝑙

π𝑟2

Analogia idraulica #3: «diametro condotta = resistenza elettrica»

La corrente di elettroni deve passare attraverso la struttura cristallina del conduttore (modello di Drude).

Maggiore sezione Passaggio più semplice

È come dover attraversare un aeroporto:

Aeroporto deserto Lo attraverso di

corsa in 1 minuto

Aeroporto nell’ora di punta

Lo attraverso a fatica in 20 minuti (facendo a spallate)

𝑅 = 𝜌𝑙

𝑆

Il circuito elettrico (mettiamo tutto insieme e vediamo che succede)

Batteria: genera una differenza di potenziale (a.k.a. tensione)

Interruttore: Apre e chiude il circuito

Resistenza: Si oppone al passaggio della corrente

Filo: In realtà anche il filo si oppone al passaggio della corrente ma solitamente la sua resistenza è trascurabile

Differenza di potenziale

in volt (V)

Il circuito elettrico La (prima) legge di Ohm

Georg Simon Ohm (1789 –1854)

I=?

𝑉 = 𝑅 ∗ 𝐼

1,5 Volt

0 Volt (riferimento)

R=1Ω

Resistenza in ohm (Ω)

Corrente in Ampère (A)

James Prescott Joule 1818 - 1889

Principio dimostrato da Joule (infatti il lavoro si misura in Joule [J])

Principio di conservazione dell’energia:

LAVORO (elettroni che si muovono)

CALORE (resistenza che scalda)

=

Il circuito elettrico (Lavoro ed effetto Joule)

Esperimento

R =1Ω

Lavoro (L) = trasferimento o sottrazione di energia cinetica compiuto da una forza su un corpo

L = 𝐹𝑜𝑟𝑧𝑎 𝑒𝑙𝑒𝑡𝑡𝑟𝑜𝑚𝑜𝑡𝑟𝑖𝑐𝑒 (𝑉) ∗ Carica Elettrica (Q)

Ho dimostrato il 1° principio della

termodinamica!

Il circuito elettrico (la potenza)

𝑃 = 𝑉 ∗ 𝐼

Ma anche

𝑃 = 𝑅 ∗ 𝐼2 e 𝑃 =𝑉2

𝑅

Potenza (P) = lavoro nell’unità di tempo [W]

1W =1 𝐽𝑜𝑢𝑙𝑒

1 𝑠𝑒𝑐𝑜𝑛𝑑𝑜

R =1Ω

1,5 Volt

0 Volt

Potenza dissipata dalla resistenza 𝟏, 𝟓𝑽 ∗ 𝟏, 𝟓𝑨 = 𝟐, 𝟐𝟓𝑾

Il circuito elettrico (polarizziamo un led)

Colore Tensione

di giunzione

infrarosso 1,3

rosso 1,8

giallo 1,9

verde 2,0

arancio 2,0

blu/bianco 3,0

Blu 3,5 V

Tipologia LED Assorbimento

(mA)

LED basso consumo

3 - 10

LED normali 10 - 15

LED flash 20 - 40

LED di potenza 100 - 20000

I LED, quando sono sottoposti ad una tensione diretta, emettono fotoni

il «+» è il piedino più lungo!

Il circuito elettrico (polarizziamo un led)

3 V

0 V

1,5V

1) Fissare un valore di corrente (es 10mA)

2) Calcolare la tensione in eccesso: 𝑉𝑒𝑐𝑐 = 𝑉 − 𝑉𝑙𝑒𝑑

Es. con led rosso: 𝑉𝑑𝑖𝑠𝑝 = 3 − 1,8 = 1,2𝑉

3) Calcolare la resistenza adeguata per far scorrere la corrente desiderata:

𝑅 =𝑉𝑒𝑐𝑐

𝑖𝑑𝑒𝑠𝑖𝑑𝑒𝑟𝑎𝑡𝑎=

1,2

0,01= 120Ω

Carica delle batterie

Capacità Tipica: 3Ah

Capacità Tipica: 16Ah

Le batterie generano corrente elettrica grazie ad una reazione chimica; la capacità indica quanta corrente possono generare prima che la reazione si esaurisca. Durante lo scaricamento anche la tensione cala leggermente.

La capacità di misura in Ampèrora (Ah) ed indica «quanta corrente per quanto tempo» la batteria è in grado di erogare.

Quanto durerà la batteria?

𝐷𝑢𝑟𝑎𝑡𝑎 [ℎ] = 𝐶𝑎𝑝𝑎𝑐𝑖𝑡à [𝐴ℎ]

𝑎𝑠𝑠𝑜𝑟𝑏𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 [𝐴]

The end

gracias

puno vam hvala

salamat

dziękuję bardzo Ευχαριστω

Hvala

::ُشْكرًا Спасибо

Dhanyavaad

Dankeschön

Cảm ơn

teşekkür ederim

thank you

obrigada

grazie