Corrente elettrica Circuito simbolico Circuito elettrico costituito da

Corrente elettrica Circuito simbolico Circuito elettrico costituito da un generatore (di tensione), un utilizzatore e da un interruttore 1

La corrente elettrica 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 (mediamente uno per ogni atomo), che procedono in modo caotico a zig-zag. Il risultato complessivo è che il pezzo di metallo è scarico. Applichiamo, adesso, una differenza di potenziale agli estremi del conduttore. Che accade? Si formerà un campo elettrico, diretto da A verso B, che eserciterà una forza sugli elettroni liberi, i quali si muoveranno, ordinatamente, da B verso A. avendo quest’ultimi una carica negativa 2

Si definisce corrente elettrica in un conduttore il movimento ordinato di elettroni da un estremo all’altro del conduttore. Il verso convenzionale della corrente, supposta ottenuta da cariche positive, è opposto a quello nel quale si spostano le cariche negative. Per quantificare la corrente, consideriamo una sezione del conduttore, perpendicolare alla direzione di propagazione degli elettroni, e consideriamo la quantità di cariche passano attraverso questa sezione, in un determinato intervallo di tempo. Si definisce intensità corrente elettrica , che indichiamo con il simbolo I , la quantità di carica che passa in un conduttore in un determinato tempo: Se misuriamo la carica in Coulomb ed il tempo in secondi, l’intensità di corrente si misura in Ampere Se l’intensità di corrente ed il verso si mantengono costanti nel tempo, si ha una corrente continua 3

Il circuito elettrico elementare Si definisce circuito elettrico in l’insieme di elementi attivi (generatore) e passiti (utilizzatore) opportunamente collegati tra loro medianti cavi (o fili). Il circuito elettrico viene rappresentato mediante uno schema simbolico. Il circuito è chiuso quando non vi sono interruzioni, e circola la corrente; il circuito è aperto quando è interrotto, (mediante un interruttore) e il flusso di cariche è nullo (non circola corrente elettrica). Amperometro Voltmetro Circuito simbolico L’amperometro è uno strumento che misura l’intensità della corrente elettrica e deve essere sempre connesso in serie nel circuito in cui si vuole effettuare la misurazione Il voltmetro è uno strumento che misura la d. d. p. ai capi di un componente e va connesso in parallelo rispetto al tratto interessato alla misurazione. 4

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Prima legge di OHM In un circuito elettrico il rapporto tra tensione agli estremi di un conduttore e l’intensità di corrente che vi circola è costante DV I 4 8 12 16 20 1 2 3 4 5 Oppure, in un circuito elettrico la d. d. p. agli estremi di un conduttore è direttamente proporzionale all’intensità di corrente che vi circola. 6

Resistenza elettrica Si definisce resistenza elettrica R del conduttore il rapporto costante tra tensione ai suoi capi e l’intensità di corrente che lo percorre The unit of resistance is the ohm: 1 Ω = 1 V/A. Dal punto di vista microscopico la resistenza elettrica del conduttore indica la maggiore o minore difficoltà che incontrano gli elettroni nel muoversi nel conduttore. Piccola resistenza significa che gli elettroni circolano bene nel conduttore e quindi buoni conduttori, mentre elevata resistenza indica una notevole difficoltà degli elettroni nel muoversi nel conduttore, quindi cattivi conduttori cioè isolanti. Conduttori per i quali vale la prima legge di OHM sono detti conduttori ohmici. 7

RESISTORI Il termine resistenza è riferito a qualunque utilizzatore che assorbe corrente elettrica. Spesso, per motivi di progettazione, nei circuiti vengono inseriti dei componenti che hanno un valore ben preciso di resistenza e che sono chiamati resistori. Talvolta i termini resistore e resistenza sono utilizzati come sinonimi. Negli schemi elettrici il simbolo della resistenza è: 8

Esercizi Un circuito presenta ai capi di un conduttore una d. d. p. di 20 V. Sapendo che c’è un passaggio di corrente di intensità 2 A, quanto misura la resistenza del conduttore? Un conduttore di 100 è attraversato da una corrente di 0, 2 A. Qual è la d. d. p. ai capi del conduttore? Un conduttore di 100 presenta ai suoi estremi una d. d. p di 20 V. Qual è la intensità di corrente che attraversa il conduttore? 9

Altri Esercizi Un lettore portatile di files musicali mp 3 funziona alla tensione di 3, 7 V fornita da una batteria ricabile al litio ed assorbe una corrente di 75 m. A. Determinare la resistenza complessiva del lettore e la carica che fluisce nel circuito interno in 8 ore, tempo di funzionamento dichiarato dal costruttore prima di una nuova rica della batteria N. B. Le batterie in commercio vengono caratterizzate dalla carica (espressa in ampereora, Ah , corrente di un ampere erogata per un’ora, equivalente a 3. 600 C, che sono in grado di fornire. La batteria di un’automobile, per esempio, può essere di 40 Ah, mentre quella ricabile di un telefono cellulare, per esempio, di 1200 m. Ah (milliampere-ora). 10

Seconda legge di OHM Consideriamo un circuito elettrico in cui c’é un conduttore. E vediamo cosa accade facendo variare la sua lunghezza. Riportiamo i dati in una tabella: N. B. nel circuito c’è sia un amperometro, che un voltmetro. 11

Teniamo adesso costante la lunghezza del conduttore e facciamo variare la sua sezione. Riportiamo i dati in una tabella Teniamo adesso costante la lunghezza e la sezione del conduttore e facciamo variare il tipo di conduttore (materiale di cui esso è costituito): rame, costantana, ferro, ottone, ecc… . Otteniamo diversi valori di resistenza, per cui: 12

Resistività La grandezza fisica (ro) è una costante che dipende dal tipo di materiale di cui è fatto il conduttore e si chiama resistività o resistenza specifica. Per capire meglio cosa essa sia, ricaviamocela dalla seconda legge di Ohm: Consideriamo adesso un conduttore di lunghezza unitaria e di sezione unitaria, si ha: Cioè la resistività di un conduttore non è altro che la sua resistenza riferita ad una lunghezza e sezione unitaria. La sua unità di misura è: 13

Resistivity of a Material Variazione della resistività con la temperatura é la resistività misurata a 20°C 14

Esercizi Un filo di rame ha diametro costante di 0, 8 mm e lunghezza di 2, 8 m. Qual è la sua resistenza a temperatura ambiente? A che differenza di potenziale dovrebbe essere sottoposto il filo per avere una corrente di 0, 4 A ? 15

Altro Esercizio Trovare la resistività di un filo di di un conduttore lungo 0, 20 m con diametro 0, 70 mm che, sottoposto ad una tensione di 0, 25 V , viene attraversato da una corrente di intensità 0, 98 A. Dalla tabella si ricava che il filo è costituito da costantana 16

Altri esercizi 1) Che differenza di potenziale bisogna applicare ad un filo di resistenza 60 affinché sia percorso da una corrente di intensità di 2, 5 A ? 2) Un filo conduttore è sottoposto ad una tensione di 48 V ed è percorso da una corrente di 8 A. Qual è la resistenza del filo ? 3) Quanto è lungo un filo di costantana di sezione 1 mm 2 che se sottoposto ad una tensione di 12 V, viene percorso da una corrente di 4 A? 17

Circuiti in serie Nel collegamento in serie, tutte le resistenze sono percorse dalla stessa intensità di corrente. La caduta di potenziale complessiva, sarà la somma delle cadute su ogni singola resistenza: Nel circuito equivalente, con la stessa tensione e stesse intensità di corrente, si ha: Per cui: La resistenza equivalente di un sistema di resistenze in serie è uguale alla somma delle singole resistenze 18

Circuiti in parallelo Nel collegamento in parallelo, le resistenze hanno ai loro capi la stessa differenza di potenziale, mentre la corrente che le attraversa è diversa (e varia in base alla resistenza): Nel circuito equivalente, con la stessa tensione e stesse intensità di corrente, si ha: Per cui: L’inverso della resistenza equivalente di un sistema di resistenze in parallelo è uguale alla somma degli inversi delle singole resistenze 19

Esercizi Due resistori di resistenza e sono collegati prima in serie e poi in parallelo. Se alimentati da un generatore di tensione di: V = 240 V , determinare: a) la resistenza equivalente b) la corrente totale erogata dal generatore c) la corrente che circola nei due resistori Serie: b) a) c) Stessa intensità di corrente Parallelo: La corrente totale risulta: La corrente nei due resistori si divide in parti inversamente proporzionali alle resistenze 20

Considerazioni Due resistori di resistenza e sono collegati prima in serie e poi in parallelo. Se alimentati da un generatore di tensione di: V = 20 V , determinare: a) la resistenza equivalente b) la corrente totale erogata dal generatore c) la corrente che circola nei due resistori La corrente nei due resistori si divide in parti inversamente proporzionali alle resistenze 21

Esercizi Due resistori di resistenza e sono collegati prima in serie e poi in parallelo. Se alimentati da un generatore di tensione di: V = 240 V , determinare: a) la resistenza equivalente b) la corrente totale erogata dal generatore c) la corrente che circola nei due resistori 22

Collegamento nelle case dei dispositivi FUSIBILE ll fusibile è un resistenza in grado di proteggere in un circuito le apparecchitaure costose dalle sovracorrenti (causate per esempio dai cortocircuiti). Il funzionamento è estremamente semplice: quando sopraggiunge una sovracorrente, il filamento, per effetto Joule, fonde provocando l'apertura del circuito. 23

Potenza – Effetto Joule Un utilizzatore attraversato da corrente elettrica dissipa energia sotto forma di calore, che cede all’ambiente esterno. Questo fenomeno è noto come effetto Joule. Vi sono diverse applicazioni pratiche dell’effetto Joule; ferro da stiro, forni elettrici, scaldabagno, stufa elettrica , asciuga capelli, tostapane ecc… Il lavoro fatto per portare la carica complessiva Q da uno estremo all’altro del conduttore è: : Watt L’energia dissipata dall’utilizzatore è uguale all’energia erogata dal generatore: L’unità di misura dell’energia dissipata è il kilowattora 24

Esercizi Ai capi di un conduttore di resistenza paria a viene applicata una d. d. p. di 60 V. Determinare la potenza dissipata per effetto Joule: Una stufa elettrica alimentata alla tensione di 220 V è percorsa dalla corrente di 4, 6 A. Determinare: a) La resistenza della stufa b) L’energia dissipata sotto forma di calore nel tempo di 2 ore c) Se l’energia elettrica viene pagata 0, 16 /KWh, quanto viene speso per il funzionamento della stufa? In KWh l’energia dissipata è: Il costo per il funzionamento: 25

Esercizi Per asciugarti i capelli utilizzi il tuo phon da 1200 W per 6 minuti. Se il costo dell’energia è fissato in 0, 16/KWh, quanto hai speso? In KWh l’energia dissipata è: Il costo per il funzionamento: Cioè : 2 centesimi di euro 26