Corrente-Tensione-Resistenza

Cariche elettriche

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Le cariche elettriche sono corpi costituiti da atomi che hanno ceduto o acquistato un certo numero di elettroni. Come già accennato in precedenza, gli atomi in natura sono neutri cioè hanno lo stesso numero di elettroni e protoni, ne consegue che se un elemento è carico elettricamente, esiste nello spazio un secondo elemento che possiede la stessa carica ma di segno opposto. La carica di un elemento è data dalla somma algebrica delle singole cariche fondamentali e costituisce la quantità di carica (simbolo Q). Come tutte le grandezze fisiche, la quantità di carica ha un unità di misura che è il Coulomb (leggi culomb, simbolo C) che vale circa 6,24·10¹⁸ elettroni, quindi la carica di un elettrone è pari a 1,602·10^–19 C. Il Coulomb rappresenta la quantità di carica degli elettroni, ed essendo questi a carica negativa, è anch’egli negativo. Un valore di Coulomb positivo indica quindi una carica elettrica di protoni. Due elementi con carica elettrica opposta tendono a riequilibrarsi, cioè a ristabilire la neutralità tra elettroni e protoni, quindi possiamo certamente dire che due cariche di segno opposto si attraggono, mentre due cariche di segno uguale si respingono. Coulomb stabilì sperimentalmente che la forza con la quale si attraggono o respingono due cariche. La forza di attrazione o repulsione tra due cariche è direttamente proporzionale al prodotto delle quantità di carica, fratto la distanza al quadrato delle cariche e dipende dalla natura del mezzo.

 

dove Q₁ e Q₂ sono i valori delle cariche elettriche in espresse in coulomb, d la distanza che le separa distanza in metri, F la forza in newton ed ε una costante caratteristica del mezzo in cui si trovano le cariche – costante dielettrica del mezzo – (per il vuoto ε₀ vale 8,854·10^–12 F/m)

 

Corrente Elettrica

 

Mentre il movimento normale degli elettroni liberi in un conduttore è casuale, senza particolare direzione o velocità, gli elettroni possono essere forzati a muoversi in maniera uniforme all’interno di un conduttore. Lo spostamento tali di cariche che avviene in un determinato lasso di tempo, viene denominato circolazione di corrente elettrica (simbolo I), che si misura in Ampere (pronuncia amper, simbolo A). Possiamo quindi scrivere che:

dove:

 

I = corrente elettrica in ampere

Q = quantità di carica in coulomb

t = tempo in secondi

 

L’intensità di un ampere significa che in un secondo, attraverso la sezione del conduttore passano 6,24·10¹⁸ elettroni.

Tutti possono constatare che collegando tra loro una pila e una lampadina, si ottiene l’accensione di quest’ultima. Causa dell’accensione è proprio la corrente elettrica.

Quanti più elettroni passano dalla pila alla lampadina attraverso i conduttori di collegamento, tanto più alta sarà la corrente elettrica. Già per piccolissime correnti il numero di elettroni che attraversa i conduttori in un secondo è enorme.

In realtà non sono gli elettroni che si spostano per tutto il tragitto, essi si urtano l’uno con l’altro scambiandosi l’energia senza doversi spostare eccessivamente. Per chiarire meglio le idee, si immagini una fila di bocce allineate (che rappresentano gli elettroni), colpendo la prima boccia si nota istantaneamente uno spostamento della boccia al fondo della fila, questo perchè le bocce di mezzo hanno solo ceduto l’energia del colpo senza immagazzinarne.

 

La corrente elettrica non è altro che un flusso di cariche che tendono a ristabilire la neutralità tra due corpi elettricamente carichi. Se i due corpi, mano a mano che la corrente circola, diventano neutri, immediatamente la corrente cessa (in quanto non c’ è più una forza di attrazione tra i due), ma se i due corpi continuano ad avere una carica elettrica diversa, allora avremo sempre la circolazione di corrente. Ovviamente perchè la corrente possa circolare, si devono utilizzare dei materiali che abbiano una buona quantità di elettroni liberi, questi materiali sono denominati conduttori, in quanto al loro interno la corrente riesce a circolare molto bene.

Da quanto si è detto fino ad ora, si comprende molto chiaramente che la corrente elettrica si sposta da una zona dove gli elettroni sono in eccesso verso una zona (o corpo) in cui si trovano più cariche positive (protoni), possiamo allora sostenere che il verso di spostamento della corrente è dal polo negativo verso il positivo. Siccome i fenomeni elettrici sono stati studiati fin dagli antichi Greci, i quali credevano che le cariche elettriche si spostassero dal polo positivo a quello negativo, per convenzione ancora oggi esiste questo senso di percorrenza convenzionale e quando si parla di corrente elettrica, se non diversamente specificato si intende il senso dal positivo verso il negativo.

Per misurare l’intensità di corrente si hanno a disposizione degli strumenti, detti amperometri, o misuratori di corrente.

 

Effetti della corrente elettrica

 

Si possono distinguere i seguenti effetti:

 

• effetto termico,
• effetto luminoso,
• effetto magnetico,
• effetto chimico,
• effetto fisiologico.

 

Effetto termico

 

Negli apparecchi, quali saldatori, stufe elettriche, viene sfruttato l’effetto termico della corrente elettrica; essa attraversa un sottile filo metallico e provoca un riscaldamento del filo stesso.

 

Effetto luminoso

 

A intensità di corrente abbastanza alte, accanto all’effetto termico sorge l’effetto luminoso. Questo viene sfruttato nelle lampadine. In particolari condizioni anche i gas possono fungere da conduttori. Nella lampada fluorescente e in quella a vapori di sodio questo corrente alternata. effetto viene utilizzato per produrre luce.

 

Effetto magnetico

 

Ogni conduttore percorso da corrente genera all’intorno un campo magnetico. Questo effetto può essere aumentato per mezzo di conduttori avvolti (solenoidi). Nell’elettromagnete, questo fenomeno viene sfruttato per attirare frammenti di ferro.

 

Effetto chimico

 

Se una corrente attraversa un liquido conduttore non metallico (elettrolito), questo si scompone. Le sostanze che si trovano nel liquido possono così essere estratte, poiché si separano agli elettrodi.

L’elettrodeposizione avviene sulla superficie degli elettrodi. In particolari condizioni si può arrivare a una adesione e perciò a una modifica della superficie.

 

Effetto fisiologico

 

L’effetto fisiologico della corrente subentra quando essa attraversa il corpo umano o quello di un animale. Esso porta a un irrigidimento della muscolatura. Accanto a un effetto dannoso, la corrente, usata in giusta dose, ha un effetto risanatore. In tal caso si lavora con un’intensità di corrente limitata ad alcuni µA.

 

Tensione elettrica

 

Potenziale elettrico

Affinché gli elettroni liberi, cioè gli elettroni di conduzione, si pongano in movimento, si deve esercitare su di essi una forza propulsiva. Questa forza viene esercitata dalla tensione elettrica.

Quando in un circuito elettrico c’ è circolazione di corrente, significa che ai suoi capi ci sono dei corpi con carica elettrica diversa. Difatti solo quando due corpi hanno carica elettrica diversa si viene a creare una forza di attrazione che da poi luogo alla corrente elettrica. Però se si pensa che in natura i corpi hanno una carica elettrica nulla (la somma algebrica delle cariche elementari che costituiscono il corpo è uguale a 0), si capisce che i corpi elettricamente carichi sono stati oggetto di una modifica tale da produrre una cessione o un acquisto di elettroni.

La sorgente di tensione o generatore ha la funzione di mantenere costante questa differenza di quantità di elettroni tra i due poli.

(La comune presa che abbiamo all’interno delle case è una sorgente di tensione).

Associando più propriamente la definizione di potenziale alla quantità di carica presente possiamo allora dire che, fra i due poli esiste una differenza di potenziale. Ogni sistema, in cui vi è una differenza di potenziale fra punti diversi, ha la tendenza ad uniformare tale distribuzione, muovendo le cariche elettriche dal polo negativo al positivo.

.

 

Quindi il generatore al fine di mantenere costante la differenza di potenziale o tensione compie un lavoro come lo si farebbe per sollevare da terra un sasso. Come questo sasso possiede una certa energia potenziale rispetto alla terra, analogamente possiamo dire degli elettroni rispetto al polo positivo del generatore. Questo riferimento al polo positivo è fatto per chiarire che qualsiasi potenziale elettrico ha significato solo se stabilito rispetto ad un certo punto prefissato.

Nell’indicazione schematica di una sorgente di tensione, i poli vengono indicati con delle lineette: lunga per il polo positivo e corta per il polo negativo.

È da osservare che mentre non può scorrere alcuna corrente in assenza di tensione, può esservi tensione anche quando non scorre corrente poiché tutto dipende dalla differente distribuzione degli elettroni fra i due poli della sorgente.

L’energia potenziale utile a spostare una carica, è direttamente proporzionale al prodotto della quantità di carica da spostare per il potenziale elettrico. Allo scopo di chiarire le idee, si faccia riferimento ad una pompa che deve spostare 1 litro di acqua al secondo, se l’acqua da spostare deve salire di 1 metro, l’energia potenziale utile avrà un certo valore, ma se l’acqua deve salire di 3 metri, il valore di energia potenziale è tre volte più elevato. Possiamo quindi affermare che l’energia potenziale (simbolo W), è la quantità di energia utile per muovere una carica Q al potenziale V.

 

W = Q·V

 

dove:

 

W = energia potenziale in Joule

Q = quantità di carica elettrica in Coulomb

V = potenziale elettrico in Volt

 

Il potenziale elettrico è quindi il rapporto tra l’energia potenziale accumulata in una carica fratto la carica stessa.

 

Due corpi elettricamente carichi, possono avere quindi un potenziale elettrico diverso (in quanto l’energia accumulata è diversa, o è diversa la quantità di carica), se indichiamo con V₁ il potenziale del corpo uno, e con V₂ il potenziale del corpo due, la differenza tra V₁ e V₂ (V₁ – V₂) è denominata differenza di potenziale (d.d.p), i corpi che non posseggono questa energia potenziale sono a potenziale zero. Come punto di riferimento, si è stabilito che il potenziale della terra è zero (valore convenzionale), e quindi gli altri valori vanno riferiti secondo il valore di terra

Il potenziale elettrico, è stato studiato da Alessandro Volta, dal quale si è ricavata l’unità di misura Volt (simbolo V). Sovente il potenziale elettrico viene denominato tensione elettrica.

Per capire meglio il potenziale elettrico si faccia riferimento all’esempio di due vasche d’acqua poste alla stessa altezza ma con livelli di acqua diversi, se colleghiamo mediante un tubo le due vasche, l’acqua contenuta nella vasca col livello più alto mediante il tubo andrà a riempire la seconda vasca fino a quando i due livelli non saranno uguali. Se associamo questo esempio ai circuiti elettrici, la differenza di livello è come la differenza di potenziale, mentre la circolazione dell’acqua è come la circolazione di corrente in quanto sia il flusso d’acqua, sia la corrente elettrica tendono rispettivamente ad azzerare la differenza di livello e la differenza di potenziale.

 

 

Da quanto si è detto sopra, si comprende che se due corpi elettricamente carichi con tensione diversa vengono collegati assieme mediante un conduttore, tendono a scaricarsi per azzerare la differenza di potenziale tra i due. È evidente che per fare funzionare un circuito elettrico per tempo indeterminato (ad esempio la lampadina di casa propria), non sono sufficienti due corpi elettricamente carichi con potenziale elettrico diverso, ma è necessario che la differenza di potenziale tra i poli del circuito sia continuamente mantenuta. Per mantenere una d.d.p. costante tra due poli di un circuito è necessario utilizzare un generatore di tensione, il quale ha la capacità di mantenere (entro certi limiti di funzionamento) una d.d.p. sempre costante ai capi. Facendo riferimento alle due vasche di acqua, il generatore di tensione è come una pompa che ha la capacità di mantenere sempre lo stesso dislivello.

Per completare, possiamo dire che i generatori di tensione sono dispositivi in grado di mantenere una tensione costante ai capi (poli). Una particolare attenzione va posta al fatto che in presenza di un generatore di tensione, il circuito elettrico (come quello idraulico, vedi esempi), deve avere almeno due conduttori (andata e ritorno) questo perchè gli elettroni che vengono a circolare nel circuito non si devono accumulare, ma devono mediante un secondo conduttore ritornare al punto di partenza, difatti per ogni elettrone che parte da un polo del circuito, ne arriva un altro sul polo opposto. Se ne deduce allora che un circuito elettrico per funzionare deve avere la stessa circolazione di corrente sui conduttori di andata e di ritorno.

È da osservare che mentre non può scorrere alcuna corrente in assenza di tensione, può esservi tensione anche quando non scorre corrente poiché tutto dipende dalla differente distribuzione degli elettroni fra i due poli della sorgente.

Per il funzionamento di un apparecchio elettrico viene sempre indicata la tensione di rete necessaria che, per ovvie ragioni, è normalizzata in una delle categorie indicate nella seguente tabella:

 

Sorgente di tensione		Tensione in volt
Batterie	Monocelle	1,5
	Pile per lampade tascabili	3 x 1,5 =4,5
	Accumulatori al nikel	1,2 a elemento
	Accumulatori al piombo	2 a elemento
Reti	Reti a corrente continua	110÷220
	Reti a corrente alternata	220÷380

Quando la tensione nominale della rete e quella indicata dall’apparecchio elettrico coincidono, quest’ultimo può senz’altro essere collegato alla rete. Se invece la tensione della sorgente è sensibilmente superiore a quella indicata dall’apparecchio quest’ultimo, se inserito, potrebbe essere sovraccaricato e di conseguenza danneggiato. Se la tensione della rete è minore di quella necessaria, non corre pericolo, ma è il suo funzionamento che ne risulta compromesso.

 

 

Metodi per generare tensione

 

Le tensioni vengono generate con procedimenti diversi. Alcuni di questi metodi vengono brevemente descritti nei paragrafi seguenti.

 

Tensione ottenuta per attrito

Attraverso l’attrito di sostanze sintetiche si produce uno squilibrio di cariche.

 

Tensione ottenuta da magneti o da bobine in movimento

La differenza di carica viene prodotta da bobine mosse in un campo magnetico o da magneti in movimento con una bobina ferma. Questo procedimento viene, ad esempio, usato nei generatori delle centrali elettriche. Anche la dinamo della bicicletta e il microfono dinamico funzionano secondo questo principio.

 

Tensione ottenuta per pressione o trazione nei cristalli

Variando la pressione o la trazione si crea tra le superfici di determinati cristalli (ad esempio il quarzo) una differenza di cariche. Essa dipende dall’intensità dell’azione esterna.

 

Tensione ottenuta per riscaldamento

Se si collegano due metalli diversi e si riscalda il punto di giunzione, si dà origine a una piccola tensione (di alcuni millivolt), la cui grandezza dipende dalla temperatura. Questo procedimento viene usato per misurare la temperatura.

 

Tensione ottenuta per effetto luminoso

Se la luce cade su determinate sostanze (silicio, germanio) si attua una separazione delle cariche. Questo procedimento viene utilizzato, ad esempio, per l’esposimetro o per generare tensione nei satelliti.

 

 

Tensione ottenuta da processi chimici

Se si immergono due conduttori diversi in un liquido conduttore di corrente, si provoca una separazione di cariche. Questo procedimento è usato per tutti i generatori elettrochimici di tensione.

Tipi di tensione

 

Per le diverse esigenze tecniche sono stati sviluppati generatori di tensione corrispondenti. Essi forniscono, in base alla loro costituzione, una tensione continua, alternata o mista.

La tensione continua mantiene costantemente lo stesso valore. Si presenta in tutta la sua intensità subito dopo l’inserimento e perdura fino a quando viene disinserita.

 

 

I generatori di tensione alternata mutano costantemente la loro polarità e perciò la direzione della tensione.

 

 

La tensione fornita dalle centrali elettriche alle nostre abitazioni è una tensione alternata.

Una tensione mista si forma da una tensione continua e da una alternata.

 

 

Il valore della tensione non è costante; oscilla intorno a un valore medio, che in questo caso è compreso tra i valori di + 3 V e + 17 V. La tensione continua media è di + 10 V.

Vi è, infine, una terza grandezza elettrica che gioca una parte importante, accanto alla corrente e alla tensione: la resistenza elettrica.

Per introdurre questa grandezza riferiamoci a quello che avviene quando l’acqua scorre nelle tubazioni. intuitivo pensare che l’acqua incontri una certa “fatica”, o più precisamente una resistenza a muoversi dentro un tubo. Se sostituiamo la condotta esistente con un’altra più lunga l’acqua farà più fatica a percorrerla tutta; se invece prendiamo un tubo più grande, l’acqua può passare più facilmente; così come con un tubo perfettamente liscio piuttosto che con uno tutto rugoso, in quest’ultimo caso l’acqua incontrerebbe una resistenza molto maggiore. Si può quindi concludere che la facilità con la quale l’acqua può percorrere una tubazione dipende dal modo nel quale è stato costruito il condotto e che ogni condotto offre una sua resistenza al movimento dell’acqua.

 

 

Questo concetto è perfettamente applicabile nel caso dell’elettrotecnica a tutti i conduttori di corrente: si può cioè dire che ogni materiale percorso da corrente offre una certa resistenza al suo passaggio, ossia la corrente “fa fatica” a percorrerlo, ne più ne meno dell’acqua nella tubazione. E come nel caso idraulico, anche in elettrotecnica questa resistenza dipende dalle caratteristiche del conduttore, ossia dalle sue dimensioni e dal materiale del quale è costituito. Infatti gli elettroni nel loro moto urtano gli atomi del metallo subendo dei rallentamenti. Si può quindi definire la resistenza elettrica come l’ostacolo che un materiale oppone al libero passaggio della corrente elettrica. O, meglio:

 

La resistenza elettrica è l’ostacolo al flusso di elettroni attraverso una sostanza

 

Come le caratteristiche di un tubo: lunghezza, diametro o rugosità sono esattamente definite nel momento in cui il tubo è costruito, indipendentemente dal fatto che sia o non sia percorso dall’acqua; allo stesso modo, un conduttore presenta una resistenza elettrica anche se non è percorso da corrente. Si dice allora che la resistenza, è una caratteristica fisica del materiale. Così in un circuito elettrico potremo avere tensioni e correnti diverse, ma la sua resistenza, come caratteristica fisica, rimane sempre la stessa.

La resistenza elettrica (simbolo R) si misura in Ohm (simbolo Ω) definito come la resistenza di un conduttore nel quale passa la corrente di 1 A se ai suoi capi è applicata la tensione di 1 V.

 

Per determinare la resistenza di un materiale bisogna valutare i seguenti parametri: resistività o resistenza specifica, lunghezza e sezione.

La resistività (simbolo ρ) definisce il materiale dal punto di vista della conduzione. Più alto è il suo valore, più alta è la resistenza al passaggio della corrente. Ovviamente per i conduttori questo valore è particolarmente piccolo. Quando un conduttore si scalda il valore di ρ aumenta leggermente. secondo un dato coefficiente di temperatura.

La resistività si misura in:

La tabella riporta i valori di resistività di alcuni materiali conduttori.

 

 

Per gli altri due parametri si può dire che la resistenza aumenta:

 

• all’aumentare della lunghezza del conduttore.
• al diminuire della sezione.

 

Sinteticamente questi elementi si possono esprimere in una formula:

 

dove l è espresso in m e S in mm².

In taluni casi può essere utile usare, invece dei valori di resistenza, quelli della conduttanza che rappresenta la facilità con la quale un materiale si lascia attraversare dalla corrente. O meglio:

La conduttanza elettrica di un utilizzatore indica quale intensità di corrente è presente per volt di tensione applicata.

Tanto più grande è la conduttanza elettrica in un circuito, tanto maggiore è l’intensità di corrente.

La conduttanza sarà perciò l’inverso della resistenza:

(G = conduttanza) La sua misura è il siemens (simbolo S).

 

Dipendenza della resistenza dalla temperatura

 

Con un semplice esperimento si dimostra che la resistenza di un filo cresce coll’aumentare della temperatura. Con un secondo esperimento si può dedurre dalla diminuzione della corrente, a tensione costante, una maggiore resistenza.

Per spiegare questo fenomeno ci si deve occupare ancora una volta dell’energia sotto forma di calore. Il calore è movimento di molecole, cioè di atomi. Quanto più calda è una sostanza, tanto più forte si muovono le molecole, cioè oscillano più velocemente attorno alla loro posizione nel reticolo del cristallo. Cresce quindi la possibilità di urto degli elettroni liberi con gli ioni atomici o con i loro elettroni fissi.

Cresce, quindi, l’ostacolo degli elettroni e con esso la resistenza.

Oltre ai metalli mostrano questo comportamento anche altre materie. Siccome esse al freddo conducono elettricità meglio che al caldo, si chiamano conduttori a freddo, o resistori PTC.

I conduttori a freddo sono sostanze che a bassa temperatura conducono la corrente meglio che ad alta temperatura.

Alcune sostanze raffreddandosi fin verso lo zero assoluto (0 K = – 273,15°C), assumono una resistenza nulla. Questa proprietà si chiama superconduttività e il conduttore a temperature molto basse superconduttore. Tali conduttori, anche se a sezione molto piccola, possono sopportare correnti alte.

Così come le oscillazioni del nucleo influiscono sui movimenti degli elettroni liberi, si verifica anche il caso inverso. Gli elettroni liberi, urtandosi con gli elettroni delle orbite dei nuclei, causano a questi ultimi delle oscillazioni più forti e questo si può notare dall’innalzamento della temperatura. Questa proprietà viene sfruttata negli impianti di riscaldamento e termici.

Il riscaldamento che si verifica al passaggio della corrente (effetto Joule) si chiama riscaldamento specifico, mentre col nome di riscaldamento esterno si intende un riscaldamento proveniente dall’esterno.

Se nell’esperimento si aumenta il riscaldamento del filo della resistenza, la corrente continua a diminuire, cioè la resistenza diventa più grande.

 

grande variazione di temperatura Þ grande variazione di resistenza

 

∆R ~ ∆T

 

Siccome i materiali hanno una diversa struttura cristallina, anche l’aumento della resistenza elettrica, variando la temperatura è diverso. Il valore che ci informa sulle variazioni di resistenza di un particolare materiale si chiama coefficiente di temperatura a. Esso è riferito a una resistenza di 1 Ω e a una variazione di temperatura di 1 K. La variazione di temperatura è indicata costantemente con K (anche per mutamenti di temperatura in °C).

 

 

 

Il coefficiente di temperatura è la variazione di resistenza di un conduttore di 1 Ω dovuta alla variazione di temperatura di 1 K.

 

Se si raggruppano le tre grandezze si ottiene che la variazione di resistenza è tanto più grande:

 

1. quanto più grande è la resistenza,
2. quanto più grande è la variazione di temperatura,
3. quanto più grande è il coefficiente di temperatura.

 

Fino ad ora sono state esaminate le relazioni nell’ambito dei metalli. Molte altre sostanze mostrano un comportamento simile. Però ci sono anche parecchie sostanze (ad esempio: miscele di ossidi di cobalto, ferro, manganese, titanio, ecc…) per le quali succede esattamente il contrario. La loro resistenza diminuisce all’aumentare della temperatura. Una spiegazione di questo fatto si può dare solo nell’ambito di una classificazione delle sostanze.

Tali sostanze sono chiamate termistori. Per queste il coefficiente di temperatura è negativo.

I termistori sono materiali che ad alta temperatura conducono meglio che a bassa temperatura.

 

Confronto tra conduttori a freddo e termistori
conduttori a freddo	Termistori
conducono meglio a bassa temperatura	conducono meglio ad alta temperatura
hanno coefficienti di temperatura positivi	hanno coefficienti di temperatura negativi
si chiamano anche resistenze PTC (dall’inglese Positive Temperature Coefficient).	si chiamano anche resistenze NTC (dall’inglese Negative Temperature Coefficient)

Dalla combinazione di materiali PTC e NTC si ottengono materiali per resistenze con coefficienti di temperatura estremamente bassi, cosicché, in pratica, il valore di resistenza non muta. Un materiale molto usato nella costruzione delle resistenze è CuNi45Mn1, noto anche come costantana.

 

L’aumento di resistenza elettrica con l’aumento di temperatura ha andamento lineare, ed è calcolabile nel seguente modo:

 

 

con:

 

R_T = Resistenza elettrica alla nuova temperatura.

R₂₀ = Resistenza elettrica a 20 °C.

α = coefficiente di temperatura.

ΔT = intervallo di temperatura.

 

Determinare il vero valore di resistenza di un corpo conduttore è indispensabile, in quanto se questo a causa delle perdite si scalda, aumenta anche la sua temperatura e quindi le perdite.

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