Corrente continua

La corrente elettrica continua

Un conduttore è percorso da corrente elettrica quando in esso è presente un campo elettrico, ovvero quando vi è uno spostamento di particelle cariche e tale spostamento è dovuto alla presenza di forze elettriche in azione che mettono in movimento queste cariche.

Inoltre questo movimento è causato anche da un dislivello elettrico poiché la potenza elettrica nasce da una differenza di potenziale e questo vuol dire che all’interno di un campo elettrico i punti si trovano a potenziale diverso, se, invece si trovassero allo stesso potenziale lo spostamento delle cariche sarebbe minimo (infatti, si muovono comunque a causa dell’agitazione termica) e il conduttore sarebbe in equilibrio e di conseguenza non ci sarebbe corrente elettrica.
In un conduttore il punto A si trova a un potenziale maggiore rispetto al punto B. Il campo elettrico E (vettore), diretto di conseguenza da A a B, (quindi VA > VB), spinge le cariche che hanno libertà di movimento in versi opposti. Questo campo elettrico esercita una forza: F = Eq. Quelle positive si spostano nel verso del campo e quelle negative si spostano in senso contrario. In ogni istante una sezione trasversale del conduttore (cioè una sezione che lo taglia perpendicolarmente) è attraversata da cariche che si spostano in versi opposti a seconda del loro segno.
Per misurare la corrente elettrica all’interno di un conduttore s’introduce l’intensità di corrente i che si definisce come il rapporto tra la quantità ΔQ che attraversa la sezione trasversale di un conduttore e l’intervallo di tempo Δt: i ≡ ΔQ.
Δt
Dato che l’intensità della corrente è una grandezza scalare e nel sistema internazionale si misura in ampere; la quantità di carica ΔQ si misura in coulomb e Δt in secondi avremo che 1A=1C.
1s
Lo strumento per misurare la corrente elettrica è l’Amperometro che sfrutta l’elemento magnetico della corrente. Per calcolare il valore della corrente bisogna sommare il contributo delle cariche positive con quello delle cariche negative.
Il verso della corrente per convenzione è quello in cui si muovono le cariche positive, cioè il verso che va da punti a potenziale più alto a punti a potenziale più basso. Questa convenzione nasce dal fatto che fino all’800 si credeva che i portatori di carica fossero soltanto positivi, ma oggi sappiamo che non è sempre così, ad esempio nei solidi i portatori di carica sono gli elettroni.
La corrente si dice continua quando la sua intensità è costante nel tempo e quindi anche il rapporto i ≡ ΔQ è costante.
E dunque le due grandezze ΔQ e Δt sono direttamente proporzionali: ΔQ =i Δt. Δt
Dove i è una costante e quindi la corrente continua è n fenomeno stazionario, che rimane costante nel tempo.
I generatori di tensione possono essere, ad esempio le pile, le batterie d’automobile ed è dotato di due poli, quello positivo + che è il punto di generatore più alto, e quello negativo – che è il punto più basso. Il generatore ideale di tensione serve a mantenere ai suoi capi una differenza di potenziale costante per un tempo indeterminato. Al suo interno agiscono delle forze che non sono di natura elettrostatica, ad esempio nelle pile sono di natura chimica, che compiono lavoro sulle cariche, ovvero prelevano le cariche positive dal polo a potenziale più basso e le trasportano al polo a potenziale più alto, in modo da creare il dislivello elettrico.
Il circuito elettrico è costituito da una serie di conduttori connessi l’uno all’altro in modo continuo e collegati ai poli di un generatore di tensione. La corrente nei conduttori passa nel verso che va dal polo positivo a quello negativo, mentre all’interno del generatore, dal polo negativo a quello positivo. In ogni caso la corrente fa un percorso circolare e per questo si dice che la corrente circola nel circuito. Il circuito più semplice è costituito da un filo metallico come rame o alluminio e in questo caso i portatori di carica sono gli elettroni di conduzione. Ma per altri componenti o altri generatori vi sono altri tipi di portatori di carica.
Affinché possa passare una corrente continua è necessario che il circuito sia chiuso e che non abbia delle interruzioni. Nel caso in cui il circuito è aperto la corrente s’interrompe ed esempio nel caso dell’interruttore della luce questa sarà spenta.
Connessione in serie o in parallelo. Due o più conduttori si dicono in serie quando sono posti l’uno di seguito all’altro e ciascuno di essi attraversato dalla stessa corrente.
Due o più conduttori si dicono invece in parallelo o in derivazione quando hanno in comune tra loro solo le prime e le seconde estremità.
Ai capi di ciascun conduttore collegato in parallelo è applicata la stessa differenza di potenziale e tutti i conduttori hanno così le estremità in comune, riunite in due soli punti.
I collegamenti in parallelo consentono di mettere in funzione diversi apparecchi elettronici l’uno indipendentemente dall’altro; invece se tali apparecchi fossero collegati in serie dovrebbero necessariamente funzionare insieme.

La prima legge di Ohm

Non esiste una particolare relazione tra corrente e differenza di potenziale poiché essa dipende dal tipo di conduttore.
Tale relazione si può però ricavare applicando a uno stesso conduttore, mantenuto in condizioni stabili di temperatura, pressione e tutte le altre grandezza, diverse differenze di potenziale e misurando li varie intensità di corrente. Riportando attraverso dei punti i vari risultati in un diagramma corrente–differenza di potenziale otterremo la curva caratteristica del conduttore. Tale curva assume la forma di una semplice retta passante per l’origine se ci troviamo di fronte a conduttori metallici o basi di acidi e sali. In questo caso l’intensità di corrente è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale: i = ΔV
Essa è la 1° legge di Ohm, dal nome del fisico tedesco che la scoprì all’inizio dell’800.
R
Dove R è la grandezza del conduttore e dipende dalle condizione di pressione, temperatura…cui si trova. R è anche detta resistenza elettrica del conduttore perché rappresenta la difficoltà che la corrente incontra nel fluire all’interno del conduttore. Perciò più è maggiore R più sarà minore la corrente che attraversa il conduttore.
La resistenza è una nuova grandezza fisica che si misura in Ohm.
Formule inverse: R = ΔV quindi 1Ω = 1V (Volt). E ΔV = i R
I 1 A

I resistori e le resistenze. I conduttori che seguono la prima legge di Ohm soni detti resistori e poiché ognuno di esso ha un determinato valore di resistenza sono impropriamente detti resistenze. Possono essere un filo di rame o di alluminio e sono molto importanti all’interno di un circuito elettrico.

La prima legge di Kirchhoff

Innanzi tutto bisogna dire che:
- un circuito ohmico è quello in cui i conduttori seguono la 1° legge di Ohm e quello in cui vi sono soltanto generatori di tensioni continua (costante nel tempo);
- un nodo è un punto del circuito in cui confluiscono tre o più resistori;
- la maglia è invece un tratto chiuso di circuito.
Detto ciò la prima legge di Kirchhoff detta anche legge dei nodi, poiché è proprio a essi che si riferisce, afferma che la somma delle correnti elettriche che entrano in un nodo è uguale alla somma delle correnti elettriche uscenti. Ci troviamo di fronte alla legge di conservazione poiché se consideriamo che le cariche che entrano sono tutte positive e quelle che escono tutte negative la somma di tette le m correnti entranti sarà sempre uguale a zero.
m
i 1 + i 2 +i3+….+i m = Σ i k = 0 dove i k è un numero compreso tra 1 e m 1 k=1

La seconda legge di Kirchhoff

La seconda legge di Kirchhoff o legge delle maglie, afferma che la somma algebrica delle differenza di potenziale che si incontrano percorrendo una maglia è uguale a zero. Poiché descrivendo un percorso chiuso è ovvio il potenziale di arrivo corrisponde a quello di partenza. p
ΔV1 + ΔV2+….+ ΔV p = Σ ΔV k = 0
k=1

I conduttori ohmici in serie o in parallelo

esistono due tipi di circuiti elettrici: quello in cui vi sono diversi resistori in serie tra loro e con il generatore, detti resistenze in serie, e quelli in cui vi sono due o più resistori in parallelo tra loro e con generatore, detti resistenze in parallelo.
- Nel caso delle resistenze in serie, la corrente che attraversa un generatore collegato in serie a più resistenze R1, R2, ……R n è la stessa che si avrebbe se esse fossero sostituite da una sola resistenza R uguale alla somma delle singole resistenze: R = R1+R2+….R n. Questo perché i vari resistori hanno la stessa differenza di corrente e quindi per la seconda legge di Kirchhoff possiamo dire che la somma dei potenziali dei resistori è uguale a zero.

Ed R è la resistenza equivalente delle resistenze collegate in serie. E in un circuito in cui le resistenze fisiche sono sostituite dalle loro resistenze equivalenti sono detti circuiti equivalenti dei circuiti dati.

- Nel caso delle resistenze in parallelo, la corrente che attraversa un generatore collegato in parallelo a più resistenze R1, R2, ….R n è la stessa che si avrebbe se esse fossero sostituite da una sola resistenza R che si avrebbe tale che 1/R è uguale alla somma degli inversi delle singole resistenze: 1/R = 1/R1 +1/R2+….+1/R n
dove R è la resistenza equivalente delle n resistenze poste in parallelo tra loro.
In definitiva possiamo dire che la corrente che circola in un circuito con più resistori è uguale a quella che circola in un circuito con un solo resistore, con la stessa differenza di potenziale, la cui resistenza è data dalla somma delle 3 resistenti.

La trasformazione dell'energia elettrica

Il passaggio della corrente elettrica è accompagnato da scambi di energia che avvengono all’interno dei conduttori e tra essi e l’ambiante esterno. Tutti i conduttori quando sono percorsi da corrente elettrica si riscaldano; e a causa di questo aumento della temperatura essi emanano energia all’esterno mediante un passaggio di calore.
Nei conduttori liquidi il passaggio della corrente oltre a provocare il riscaldamento può dare vita anche a reazioni chimiche e in questo caso si verifica assorbimento di energia.
Talvolta alcuni conduttori gassosi, invece, percorsi da corrente elettrica emettono luce e l’energia che tale luce porta con sé si riversa nell’ambiente esterno.
Queste trasformazioni di energia hanno origine nell’energia elettrica che il generatore fornisce alle cariche.
Si tratta di energia potenziale elettrica che possiedono le particelle cariche che si muovono all’interno del generatore.
Quando il generatore spinge all’interno le cariche positive vero il polo a potenziale più alto, o viceversa, l’energia potenziale elettrica iniziale di queste cariche va man mano perdendosi trasformandosi in altre forme di energia come energia interna o luminosa.
Se consideriamo un conduttore in cui si muovono cariche positive, le forze del campo elettrico compiono un lavoro positivo spingendo queste cariche da dove il potenziale è più alto (A) a dove il potenziale è più basso (B). Le forze del campo sono, infatti, dirette nello stesso senso (da A a B) in cui si spostano le cariche positive.
La formula per capire quanta energia viene dissipata è:
W = ΔQ (VA – VB)
i = ΔQ ΔQ = i Δ t W = i Δ t (VA – VB)
Δ t
La potenza elettrica P, cioè il rapporto tra l’energia sviluppata in un intervallo di tempo Δ t e l’intervallo stesso, è data dalla formula P = W = i Δ t (VA – VB) = (VA – VB) i P = (VA – VB) i

Δt Δt

Se il conduttore attraversato da corrente è ohmico e ha resistenza R, tale formula può essere scritta come:
P = R i2.

La conservazione dell’energia

Anche nei fenomeni elettrici vale il principio della conservazione dell’energia: l’energia elettrica associata al passaggio della corrente è uguale alla somma dell’energia chimica, luminosa e del calore che si sviluppano in un conduttore. Facendo un esperimento con l’acqua il fisico Joule scoprì che l’energia si conserva e l’energia elettrica si trasforma integralmente in energia interna.