La corrente elettrica

Realizzazione a cura del Prof. Francesco Porfido

Gli atomi dei metalli sono caratterizzati dalla presenza di alcuni elettroni periferici, fino a un massimo di tre, legati debolmente al nucleo, per cui basta l’energia cinetica del moto di agitazione termica per allontanarli dall’atomo di appartenenza: questi elettroni li abbiamo chiamati elettroni di conduzione.Contemporaneamente, l’atomo che perde gli elettroni non è più neutro, ma presenta un eccesso di carica positiva: diventa ione positivo.

Possiamo considerare un metallo come costituito da un insieme di ioni positivi, fissi nelle rispettive posizioni del reticolo cristallino, fra cui si muovono gli elettroni di conduzione, che procedono in modo caotico zig-zagando in ogni direzione a causa degli urti continui.

Anche se ci sono gli urti, e quindi perdite di energia, con l’intervento di opportune forze, possiamo costringere gli elettroni a seguire una direzione privilegiata ovvero gli elettroni di conduzione si sposteranno mediamente nella stessa direzione perciò il movimento diventerà ordinato e continuo

La corrente elettricaLa corrente elettrica

La corrente elettrica è un movimento ordinato e continuo di elettroni in un conduttore

Il verso della corrente elettrica è convenzionalmente opposto a quello nel quale si spostano le cariche negative. Tale scelta ha motivazioni storiche, poiché le correnti elettriche erano conosciute molto prima che si scoprisse la struttura dell’atomo e che, quindi, si capisse che erano gli elettroni (cariche negative) a muoversi effettivamente nei conduttori.

Questo movimento non si verifica spontaneamente, ma ha bisogno di una qualche FORMA DI ENERGIA che lo provochi: gli apparecchi capaci di creare questo spostamento sono detti:

Polo negativo

Polo positivo

+-

Verso convenzionale

Verso reale

GENERATORI

PILE – BATTERIE –ACCUMULATORI

ALTERNATORI – DINAMO

La corrente elettrica

La corrente elettrica

CHIMICI MECCANICI

Per quantificare la corrente, immaginiamo di posizionarci in corrispondenza di una sezione qualsiasi del conduttore e di contare le cariche elettriche che passano in un determinato intervallo di tempo.In questo modo introduciamo una grandezza chiamata intensità di corrente elettrica.

L’intensità di corrente elettrica (I) è definita come la quantità di carica elettrica (q) che attraversa una sezione qualsiasi di un conduttore di un circuito in un determinato tempo.

Si consideri una sezione S di un conduttore e sia Q la carica elettrica totale che attraversa la sezione S in un intervallo di tempo ∆t

Q

∆t

S

t

QI

Intensità di corrente elettricaIntensità di corrente elettrica

La corrente elettrica si misura in ampere (A) pari a coulomb al secondo.

Il nome di questa unità di misura, ampere (simbolo A), è dedicato a un famoso fisico francese, André-Marie Ampère (1775-1836), che si occupò fra l’altro dell’iterazione tra fili percorsi da corrente.

Nel SI l’ampere è una delle sette grandezze fondamentali, grazie alla maggiore facilità di misurazione: per tale ragione, quando tratteremo il magnetismo, vedrai che esiste una sua definizione indipendente dal coulomb.

AMPEROMETRO analogico e digitale: misura le correnti continue ed alternate. Viene disposto in serie al generatore.

CORRENTE CONTINUA

t

QI

s

CA

1

11

Quando l’intensità e il verso della corrente si mantengono costanti nel tempo si ha una corrente continua.

Intensità di corrente elettricaIntensità di corrente elettrica

CORRENTE ALTERNATA

Quando l’intensità e il verso della corrente cambiano periodicamente si ha una corrente alternata.

Unità di misura della densità di corrente nel sistema SI: ampère/m2 (A m-2)

tvAqNQ q

aaaa

E

I

+

++

+

++ +

+

++

+

++

j

v dt

A

v

Nq = numero di portatori di carica per

unità di volume (m-3)

tvAQ

Avt

Q Av

t

Qi

vA

ij Si definisce densità di corrente elettrica la

grandezza j (fisicamente è un flusso di cariche)

Densità di corrente elettricaDensità di corrente elettrica

Per avere un passaggio continuo di corrente occorre garantire che agli estremi del conduttore il dislivello elettrico si mantenga costante. Altrimenti, se non c’è la d.p.p., in brevissimo tempo la corrente va a zero a causa degli urti che gli elettroni hanno nel loro moto. -

Polo negativo+Polo positivo

GENERATORE

All’interno dei generatori più diffusi, che utilizzano energia chimica o magnetica, gli elettroni sono spinti ad accumularsi in una stessa zona, chiamata polo negativo, mentre in un’altra parte, detta polo positivo, si concentrano le cariche positive.Quando i due poli vengono collegati a un conduttore, gli elettroni iniziano a percorrerlo, muovendosi dal polo negativo verso quello positivo, mentre il verso convenzionale è quello opposto (freccia rossa).

Nei circuiti elettrici si inserisce il generatore di tensione, che funziona come una pompa di elettroni.

Il generatore di tensione ha lo scopo di mantenere costante la differenza di potenziale (o tensione), che è responsabile del passaggio della corrente elettrica, ai capi di un conduttore o di un circuito.

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Generatore di forza elettromotriceGeneratore di forza elettromotrice

Il movimento degli elettroni dal polo negativo a quello positivo del conduttore è paragonabile al movimento dell’acqua dal punto più alto a quello più basso della conduttura, mentre il generatore, forzando al suo interno gli elettroni a spostarsi dal polo positivo a quello negativo, svolge il ruolo della pompa, che spinge l’acqua facendola risalire dal livello più basso a quello più alto. Perciò la pompa mantiene costante la differenza di pressione dovuta al dislivello tra i due serbatoi generando così una corrente d’acqua continua nella tubazione.

Per capire la funzione del generatore, possiamo ricorrere a un’analogia idraulica.

corrisponde al GENERATOREcorrisponde al

POLO POSITIVO

corrisponde al POLO NEGATIVO

∆h corrisponde alla d.d.p.

∆h

Generatore di forza elettromotriceGeneratore di forza elettromotrice

La forza elettromotrice f.e.m. di un generatore è il rapporto tra il lavoro L che esso compie per spostare una carica q al suo interno (per portare una carica positiva dal polo negativo al polo positivo ) e la carica q stessa.

Viene misurata in volt (V) pari a joule diviso per coulomb.

La tensione viene anche chiamata potenziale elettrico.

VOLTMETRO può essere analogico o digitale : misura le differenze di potenziale continue ed alternate. Va posto in parallelo al generatore. 

q

Lfem

All’interno di un dispositivo di f.e.m., i portatori di carica positiva si muovono dal terminale a potenziale più basso (cioè, il terminale negativo) a quello a potenziale più alto (cioè, il terminale positivo).

Generatore di forza elettromotriceGeneratore di forza elettromotrice

Alessandro Volta (1745 – 1827)

Quando non vi sono interruzioni il circuito è chiuso e circola corrente.Se si interrompe la continuità, per esempio per mezzo di un interruttore, il circuito è aperto e il flusso di corrente è nullo.

Un insieme di elementi tramite il quale la corrente viene inviata a uno o più utilizzatori (lampadina, lavatrice, radio, computer, asciugacapelli, ecc) è detto circuito elettrico.Esso viene rappresentato per mezzo di uno schema.

GENERATOREUTILIZZATORE

Schema di montaggio

Schema teorico

Circuito elettrico elementareCircuito elettrico elementare

Circuito elettrico – Simbologia componenti

Circuito elettrico – Simbologia componenti

La f.e.m. di un generatore si misura a circuito aperto, tramite un voltmetro applicato a suoi morsetti e rappresenta il dislivello energetico fra i poli per unità di carica.La d.d.p. si misura a circuito chiuso e rappresenta il dislivello energetico per unità di carica che provoca il moto degli elettroni nel circuito esterno.

Quando circola corrente una parte dell’energia fornita dal generatore serve per vincere la resistenza al moto delle cariche al suo interno.

Forza elettromotrice e Tensione elettrica

Forza elettromotrice e Tensione elettrica

La resistenza interna misura l’impedimento al moto delle cariche che si ha all’interno del generatore.

ir- emfV

Dispositivo f.e.m. reale: un dispositivo f.e.m. in cui i portatori di carica subiscono un effetto di resistenza elettrica quando si muovono da un terminale all’altro. In questo caso, la differenza di potenziale tra i due terminali è più piccola della f.e.m. del dispositivo, a causa della dissipazione di energia interna. Ci riferiamo a questo fenomeno come caduta di tensione Ohmica.

La Resistenza interna del GeneratoreLa Resistenza interna del Generatore

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ir

F . M . E . e D . D . P .

Lavoro (per unità di carica) necessario per far muovere le cariche elettriche all’interno del generatore.

emf

V

= d.d.p. a circuito aperto

+

Lavoro (per unità di carica) necessario per far muovere le cariche elettriche nel circuito esterno.

=

iR

RiepilogoRiepilogo

Per misurare la differenza di potenziale si usa il voltmetro che va disposto in parallelo rispetto al tratto interessato alla misurazione.

Per trovare la differenza di potenziale tra due punti nel circuito, gli elettrodi del voltmetro devono essere collegati ai due punti, senza interrompere il circuito.

La resistenza del voltmetro deve essere molto grande .

Per misurare la corrente si usa l’amperometro che deve essere sempre collegato in serie nel circuito.Per misurare la corrente in un filo, si deve generalmente interrompere il filo e inserire l’amperometro, in modo che la corrente da misurare passi attraverso lo strumento.

La resistenza dell’amperometro deve essere molto piccola.

Misure d’Intensità di corrente e della Tensione

Misure d’Intensità di corrente e della Tensione