CLASSI 3^A – 3^C

I.C. «FOSCOLO – GABELLI» - A.S. 2018/2019

TECNOLOGIA – prof. Mario PAOLETTI

COS’È L’ELETTRICITÀ?

Con il nome di elettricità si intendono tutti quei fenomeni fisici nei quali intervengono cariche elettriche, sia ferme sia in movimento. Le cariche elettriche sono una delle proprietà fondamentali delle particelle elementari che compongono la materia. Per descrivere dove le cariche elettriche sono localizzate e come si muovono, conviene partire dalla struttura della materia; questa è formata da particelle piccolissime dette molecole, a loro volta formate da particelle ancora più piccole, dette atomi. Ogni elemento esistente in natura (il ferro, l’oro, il carbonio, ecc.) è caratterizzato da un suo specifico tipo di atomo: dall’idrogeno che ha l’atomo più piccolo e più semplice, agli elementi con gli atomi più complessi, come l’uranio; tutti gli atomi hanno però una struttura simile: al centro dell’atomo vi è un nucleo, formato da particelle di due diverse specie, chiamate protoni e neutroni. Attorno al nucleo sono in movimento altre particelle, molto più leggere dei protoni e dei neutroni, chiamate elettroni. I neutroni, come dice il nome, sono neutri, non possiedono alcuna carica elettrica; ogni protone possiede invece una propria carica elettrica, sempre uguale e definita positiva; anche ogni elettrone possiede una carica elettrica,

pari a quella del protone, ma di natura opposta e definita negativa. Ma perché gli elettroni rimangono attorno al proprio nucleo, senza allontanarsi? Perché si è visto che cariche elettriche dello stesso segno si respingono, mentre cariche elettriche di segno diverso si attraggono.

Attrazione e repulsione sono manifestazioni della forza elettromagnetica. Questo spiega perché il nucleo, con cariche elettriche positive, tenga legati a sé gli elettroni, con carica negativa.

GLI IONI In condizioni normali, in un atomo il numero dei protoni è uguale a quello degli elettroni, perciò l’atomo nel suo insieme è elettricamente neutro.

Può, però, accadere qualcosa che turba questo equilibrio e fa in modo che dall’atomo si stacchi qualche elettrone o che si aggreghi qualche elettrone di un altro atomo. In questo caso le cariche positive e negative non si compensano più e l’atomo, nel suo insieme, acquista una carica elettrica. Se si acquistano elettroni allora l’atomo ha carica negativa, se si perdono elettroni allora l’atomo ha carica positiva. Ma perché alcuni atomi perdono o acquistano elettroni? Perché in alcune sostanze ci sono alcuni elettroni un po’ ribelli, detti elettroni liberi, che ruotano nella parte esterna dell’atomo e, pertanto, sono facilmente influenzabili da cause esterne, e possono staccarsi dagli atomi.

Al contrario, ci sono alcuni atomi che, nelle loro orbite, hanno la capacità di ospitare qualche elettrone in più e, se ci sono elettroni liberi in giro, vengono risucchiati ed entrano nell’atomo. Gli atomi che hanno acquistato una carica elettrica per aver perso o acquistato elettroni vengono detti ioni:

ioni positivi se hanno perso elettroni,

ioni negativi se hanno acquistato elettroni.

atomo di rame atomo di argento

ESPERIMENTO

La perdita o l’acquisto di elettroni rende gli atomi instabili, ed essi tendono a ristabilire l’equilibrio elettrico, cioè la neutralità: per questo motivo cariche di segno opposto si attraggono e cariche di segno uguale si respingono. Questo fenomeno è verificabile con un esperimento: se strofiniamo la cannuccia di una biro con un panno di lana (tenendola in mano indossando un guanto di gomma), la lana cede elettroni alla plastica e questa assume una carica negativa. Ripetendo l’esperimento con un’altra biro e avvicinando le due bacchette, vediamo che queste si respingono perché hanno cariche dello stesso tipo. Se strofiniamo il vetro, esso cede elettroni alla lana: si carica positivamente ed attira la plastica della biro, che ha carica opposta.

MATERIALI CONDUTTORI E MATERIALI ISOLANTI

I materiali in cui può avvenire movimento di cariche si dicono conduttori, mentre gli altri sono detti isolanti. I migliori conduttori sono i metalli, soprattutto l’argento, il rame e l’alluminio; sono buoni conduttori i corpi umidi e le soluzioni di sali. Ad esempio i cavi elettrici sono fatti di rame. Perché? Perché nei metalli, gli atomi possono perdere facilmente gli elettroni più esterni, che così sono liberi di muoversi all’interno del corpo metallico. In questi casi, se alla sostanza si applica una tensione elettrica, si provoca al suo interno un movimento di cariche elettriche e si genera la corrente elettrica. Sono isolanti il vetro, le materie plastiche, la gomma, il cotone, il legno asciutto, il vetro e la ceramica, perché i loro atomi non hanno elettroni liberi e non si lasciano attraversare dalla corrente.

IL CIRCUITO ELETTRICO

Il circuito elettrico è una struttura in cui circola la corrente elettrica. Un circuito elettrico comprende almeno tre elementi:

un generatore di corrente, cioè una sorgente di energia che fa muovere gli elettroni, per esempio una pila;

un utilizzatore, che trasforma l’energia elettrica in un’altra forma di energia (termica, meccanica, ecc.) e può essere una lampada, un elettrodomestico, un motore ecc.;

due fili conduttori: il conduttore di andata (che parte dal generatore e arriva all’utilizzatore) e il conduttore di ritorno (che parte dall’utilizzatore e torna al generatore).

Inoltre sono generalmente presenti alcuni elementi accessori, come interruttori, apparecchi di protezione, di regolazione, di misurazione ecc. Quando l’interruttore è aperto il circuito si dice aperto e il passaggio della corrente è interrotto; quando l’interruttore è chiuso anche il circuito è chiuso e la corrente circola nel circuito.

TENSIONE E CORRENTE ELETTRICA

In presenza di un generatore, che ha al suo interno uno squilibrio di cariche, gli elettroni si muovono verso il lato positivo e generano un flusso continuo: si dice che si genera una corrente elettrica. Infatti un generatore è formato da due parti separate: su una è stata accumulata una certa quantità di elettroni (carica negativa), mentre l’altra ha una mancanza di elettroni (carica positiva). In queste condizioni, poiché cariche uguali si respingono e cariche diverse si attirano, se si volesse trasportare altri elettroni dal secondo corpo al primo, si dovrebbe vincere una forza contraria e quindi spendere una certa energia. Lo squilibrio di cariche che c’è all’interno della pila viene chiamato differenza di potenziale elettrico, o tensione elettrica, che è tanto più alta quanto maggiori sono le cariche accumulate nei due compartimenti della pila. Questa è una grandezza fondamentale dell’elettricità e la sua unità di misura è il volt (V).

Se ora colleghiamo gli estremi della pila con un filo metallico conduttore, gli elettroni cominciano a scorrere lungo il filo per spostarsi da un corpo all’altro e ristabilire l’equilibrio elettrico. Sotto l’azione di una tensione elettrica si stabilisce cioè nel filo una corrente elettrica.

La quantità di elettroni che passa all’interno del conduttore

nell’unità di tempo è un’altra grandezza fondamentale dell’elettricità, e si chiama intensità di corrente, che si misura in Ampère (A).

IL VERSO DELLA CORRENTE

Anche se abbiamo visto che la corrente viene generata dagli elettroni che si muovono dalla parte negativa a quella positiva, la corrente elettrica viene, per convenzione, indicata come un flusso di cariche positive che si muovono dall’oggetto con carica positiva a quello con carica negativa.

Perché questo? Perché chi ha iniziato a studiare i fenomeni elettrici, nel XIX secolo, non sapeva nulla di atomi, elettroni, protoni e neutroni, perché sono stati studiati e scoperti per bene solo all’inizio del XX secolo.

Allora, per dare una definizione scientifica ai fenomeni elettrici gli scienziati hanno detto che sono le cariche positive che si muovono e vanno ad annullare le cariche negative (come succede in algebra tra +7 e -7 che fa 0).

LE LEGGI FONDAMENTALI DELL’ELETTROTECNICA Due importanti leggi ci aiutano ad analizzare in quali relazioni stanno tra loro le grandezze fondamentali

dell’elettricità all’interno di un circuito elettrico:

La legge di Ohm afferma che:

L’intensità di corrente che passa in un filo conduttore (I) e la tensione elettrica (V) tra le due

estremità sono direttamente proporzionali.

Quindi l’intensità di corrente aumenta al crescere della tensione o viceversa.

Il fattore di proporzionalità esprime la resistenza elettrica del filo: pur essendo conduttore, gli atomi

oppongono un certo ostacolo al fluire degli elettroni.

La resistenza elettrica, la terza grandezza fondamentale dell’elettricità, si misura in Ohm (Ω).

La formula della legge di Ohm, indicando con V la tensione, con I l’intensità di corrente e con R la resistenza:

V (Volt) = R (Ohm) x I (Ampere)

Dalla formula possiamo capire anche che l’intensità di corrente e la resistenza elettrica sono inversamente

proporzionali, cioè l’intensità di corrente diminuisce all’aumentare della resistenza.

Possiamo anche usare le formule inverse della legge di Ohm:

I (Ampere) = V (Volt) : R (Ohm) R (Ohm) = V (Volt) : I (Ampere)

LA RESISTENZA ELETTRICA

La resistenza elettrica è una forza che si oppone al passaggio della corrente ed è rappresentata dall’attrito che gli elettroni incontrano nel loro moto all’interno dei conduttori. Per vincere questa resistenza è necessario consumare parte della tensione elettrica disponibile. La resistenza elettrica di un filo conduttore dipende da tre fattori: 1. dal materiale con cui il filo è costruito (resistività),

2. dalla lunghezza del filo conduttore, 3. dalla sezione del filo conduttore: se è grande gli elettroni liberi si spostano più facilmente e quindi la resistenza

è minore. Quindi un filo lungo oppone maggiore resistenza che uno corto, così come un filo sottile oppone maggiore resistenza che uno grosso.

S = area della sezione R = resistenza

RESISTENZE E RESISTORI

Spesso nei circuiti elettrici vengono inseriti componenti che hanno un valore ben preciso della resistenza e

vengono chiamati resistori.

Questi componenti elettrici, che hanno il nucleo di ceramica, hanno delle fasce colorate che ci servono per capire

il valore della resistenza.

Esso si determina moltiplicando il numero rappresentato dal colore delle prime due strisce per il numero di zeri

indicato dalla terza striscia. La quarta striscia indica la gamma d’errore prevista dal costruttore.

COLLEGAMENTI IN SERIE E IN PARALLELO

LA POTENZA ELETTRICA L’energia, come sappiamo, si misura in Joule, mentre la grandezza che indica l’energia liberata per ogni unità di tempo è la potenza, che si misura in Watt.

Un’altra legge importante dell’elettrotecnica è la legge di Joule:

la potenza liberata P è data dal prodotto tra la tensione V e la corrente I che lo percorre.

In formula:

P (Watt) = V (Volt) x I (Ampère)

L’energia liberata in un dato intervallo di tempo è data dal prodotto della potenza per il tempo; nel campo dell’elettrotecnica si usa come unità di misura dell’energia il kilowattora (Kwh):

E (kilowattora) = P (kilowatt) x t (ore) =

P (watt) x t (ore) / 1000