Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica Si chiama...

45
Unità 12 La corrente elettrica continua

Transcript of Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica Si chiama...

Page 1: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

Unità 12La corrente elettrica continua

Page 2: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

1. L'intensità della corrente elettrica

Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

In un filo metallico (come il filamento di una lampadina) le cariche in moto sono gli elettroni, negativi

.

Page 3: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

L'intensità della corrente elettrica

Un moto di cariche è simile al moto di un liquido.

Page 4: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

L'intensità di corrente

L'intensità di corrente elettrica è il rapporto tra la carica che attraversa una sezione S di un conduttore nell'intervallo di tempo t, e l'intervallo di tempo stesso.

Q è la somma delle cariche positive e di quelle negative che attraversano S.

Page 5: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

L'intensità di corrente

Per esempio: se in t = 0,10 s passa una carica Q = 0,050 C, l'intensità di corrente i è:

L'unità di misura nel S.I. è l'ampere (A):

una corrente di 1 A trasporta 1 C al secondo.

Strumenti di misura: amperometro analogico e digitale

Page 6: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

Il verso della corrente

Per convenzione, il verso della corrente elettrica è quello in cui si muovono le cariche positive:

la corrente si muove da punti a potenziale maggiore verso punti a potenziale minore;

il moto degli elettroni in un metallo avviene nel verso opposto a quello fissato per la corrente convenzionale.

Page 7: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

La corrente continua

Una corrente si dice continua quando la sua intensità è costante nel tempo.

Su alimentatori a corrente continua o altri dispositivi (es. pila stilo) compare l'indicazione “DC” (direct current).

Dalla definizione di i si ha:

In corrente continua, la carica Q e il tempo t sono direttamente proporzionali.

Page 8: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

2. I generatori di tensione e i circuiti elettrici

Un dislivello in un fluido determina una corrente di liquido che continua finché la differenza di livello non si annulla.

Page 9: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

I generatori di tensione e i circuiti elettrici

Un dislivello di liquido provoca una corrente; in modo simile, la differenza di potenziale V

causa una corrente elettrica: essa fluisce finché V = 0;

la pompa idraulica ristabilisce il dislivello portando il liquido dal livello più basso a quello più alto;

analogamente, un generatore di tensione mantiene ai suoi capi un V costante nel tempo.

Page 10: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

I generatori di tensione e i circuiti elettrici

Si chiama generatore ideale di tensione continua un dispositivo che mantiene ai suoi capi un V costante, per un tempo indeterminato, indipendentemente dalla corrente che fluisce.

Il suo funzionamento è analogo a quello della pompa idraulica: preleva le cariche positive (convenzionali) dai punti a potenziale più basso (-) per riportarle ai punti a potenziale maggiore (+).

Page 11: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

I circuiti elettrici

Un circuito elettrico è un insieme di conduttori connessi in modo continuo e collegati a un generatore.

Page 12: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

I circuiti elettrici

Ciascun elemento di un circuito è rappresentato da un simbolo.

Se il circuito è chiuso (senza interruzioni) c'è passaggio di corrente; se è aperto non vi fluisce corrente.

Page 13: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

Collegamento in serie

Più conduttori sono connessi in serie se sono posti in successione tra loro. In essi fluisce la stessa corrente elettrica.

Page 14: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

Collegamento in parallelo Più conduttori sono connessi in parallelo se

hanno sia le prime che le seconde estremità connesse tra loro. Ai loro capi c'è la stessa differenza di potenziale.

Page 15: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

Collegamento in serie e parallelo

Le lampadine dell'albero di Natale sono connesse in serie: se una si rompe, il circuito si apre, non passa più corrente e tutte si spengono;

gli elettrodomestici dell'impianto di casa sono connessi in parallelo: sono tutti indipendenti.

Page 16: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

3. La prima legge di Ohm

Vediamo sperimentalmente come varia l'intensità di corrente in un conduttore, quando varia V ai suoi capi.

Page 17: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

La prima legge di Ohm

Otteniamo la curva caratteristica del conduttore riportando i dati in un grafico V-i.

I conduttori hanno comportamenti molto vari:

Page 18: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

La prima legge di Ohm

G.S. Ohm scoprì che per molti conduttori, tra cui i metalli e le soluzioni di acidi, basi e sali, la curva caratteristica è una retta che passa per l'origine: tali conduttori sono detti ohmici.

Page 19: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

La prima legge di Ohm

La retta passante per l'origine rappresenta la Prima legge di Ohm: nei conduttori ohmici

l'intensità di corrente è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale applicata ai loro capi.

La resistenza elettrica R si misura in ohm ():

Page 20: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

LA RESISTENZA ELETTRICALA RESISTENZA ELETTRICA

Definisco una nuova grandezza detta

RESISTENZA R del conduttore, tale che:

R misura la DIFFICOLTA’DIFFICOLTA’ da parte del conduttore a far passare I

Page 21: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

I resistori

Un conduttore ha la resistenza di 1 ohm quando viene attraversato dalla corrente di 1 A, se sottoposto alla differenza di potenziale di 1 V.

I componenti elettrici che seguono la prima legge di Ohm sono chiamati resistori;

negli schemi elettrici, un resistore viene rappresentato dal simbolo in figura:

Page 22: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

INTERPRETAZIONE MICROSCOPICA DI INTERPRETAZIONE MICROSCOPICA DI RR

Microscopicamente una carica è ostacolata nel suo moto entro conduttore

1) Dalle altre cariche

2) Dai protoni dei nuclei

URTI dei portatori di corrente contro il reticolo cristallino del conduttore

Page 23: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

DA COSA DIPENDE TALE DIFFICOLTA’?

1) Caratt.fisiche del conduttore (tipo e disposizione dei legami, dislocazione dei nuclei)

2) Lunghezza l del conduttore (l , R )

3) Sezione S del conduttore (S , R)

misurata da R

Page 24: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

SECONDA LEGGE DI OHM

= RESISTIVITA’del materiale (rende conto della dip. di R dal materiale e dalla sua T)

dipende da T

S

lR

Page 25: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

Dipendenza di da T

Se T è alta, il materiale ha particelle con grande agitazione termica più difficile moto cariche all’interno e quindi deve aumentare

= 0(1+T)

Page 26: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

4. I 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 V, assorbe dal generatore la stessa i.

Se chiamiamo ieq

la corrente assorbita, si ha:

Page 27: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

Resistori in serie

L'intensità della corrente in entrambi i

conduttori è uguale:

Page 28: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

Resistori in serie

Invece il V totale è la somma delle singole differenze di potenziale ai capi di R

1 e R

2:

Poiché è e , si ha:

, dunque

Page 29: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

Resistori in serie

Nel caso di due resistori in serie, è: R

eq= R

1 + R

2.

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.

Page 30: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

Resistori in parallelo

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

Page 31: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

Resistori in parallelo

Possiamo dimostrare che:

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

Page 32: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

Resistori in parallelo

Per due resistori si ha: e

poiché otteniamo

Ogni resistore aggiunto diminuisce la

resistenza totale, perché offre una possibilità in più al passaggio della corrente elettrica.

Page 33: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

5. Le leggi di Kirchhoff

Valgono per tutti i circuiti ohmici e servono per risolvere i circuiti, ossia per stabilire i valori di i e V relativi a ciascun resistore. Definiamo:

nodo: punto in cui convergono più conduttori; maglia: tratto chiuso di circuito;

una maglia è fatta di più rami che connettono vari nodi.

nodo

maglia

Page 34: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

La legge dei nodi

Prima legge di Kirchhoff o legge dei nodi: la somma delle intensità di corrente entranti in

un nodo è uguale alla somma di quelle uscenti. Considerando positive le correnti entranti e

negative quelle uscenti, si ha:

dove la sommatoria è su tutte le correnti del nodo.

La legge segue dal principio di conservazione della carica elettrica.

Page 35: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

La legge delle maglie

Seconda legge di Kirchhoff o legge delle maglie:

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

Infatti, camminando su un percorso chiuso, si ritorna allo stesso potenziale di partenza.

Page 36: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

6. La trasformazione dell'energia elettrica

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

Page 37: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

La trasformazione dell'energia elettrica

Effetto Joule: l'energia potenziale elettrica si trasforma in energia cinetica delle molecole del conduttore. La temperatura aumenta, l'energia elettrica diventa calore.

Potenza dissipata dal resistore, P: è la rapidità con cui l'energia elettrica è trasformata in energia interna del resistore. Vale la legge:

Page 38: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

Dimostrazione della formula per la 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 t porta la carica:

Il lavoro fatto dal campo elettrico per spostare q è:

Quindi la potenza è data da:

Page 39: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

Il kilowattora

Ricordiamo che l'unità di misura della potenza nel S.I. è il watt (W): 1 W = 1 J / 1 s, quindi 1 J = 1 W x 1s;

i consumi di energia elettrica generalmente non sono espressi in joule, ma in kilowattora (kWh):

un kilowattora è l'energia assorbita in un'ora da un dispositivo che assorbe una potenza di 1000 W:

Page 40: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

7. La forza elettromotrice

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:

Page 41: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

La forza elettromotrice

Esempio: una pila da 9 V compie un lavoro di

9 J per spostare al suo interno 1 C di carica positiva dal polo – al polo +.

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 uguale alla massima tensione che si può avere tra i suoi poli.

Page 42: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

La forza elettromotrice

Quando circola corrente in un generatore

reale, parte dell'energia fornita serve a vincere la resistenza al moto delle cariche nel suo interno.

Page 43: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

Il generatore reale di tensione

Per descrivere questo calo di tensione associamo ad ogni generatore reale una resistenza interna r:

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

ogni generatore reale può essere modellizzato come un generatore ideale collegato in serie ad una opportuna resistenza interna r.

Page 44: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

Il generatore reale di tensione

V è la differenza di potenziale ai capi del generatore reale, f

em è quella ai capi del

generatore ideale. Per la prima legge di Ohm: Per la seconda legge di Kirchhoff:

Page 45: Unità 12 La corrente elettrica continua. xxxxxx 1. L'intensità della corrente elettrica  Si chiama corrente elettrica un moto ordinato di cariche elettriche.

xxxxxx

Il generatore reale di tensione

si ottiene quindi (mettendo a fattore comune i tra gli ultimi due termini dell'equazione):

Sostituendo quest'espressione nella legge di Ohm si ha infine:

Nel caso reale r 0, è dunque V < fem

; si ha V = f

em solo se r = 0 o se R (circuito

aperto).