Corrente elettrica e forza elettromotrice

La corrente elettrica e la forza elettromotrice

1)Gli atomi dei metalli sono organizzati in compatte strutture cristalline e vibrano intorno a posizioni fisse: ciascun atomo libera elettroni che possono muoversi per tutto il volume disponibile della struttura. Cedendo elettroni, gli atomi diventano ioni positivi, ma pur essendo carichi, non si allontanano dalle loro posizioni di equilibrio. Nei metalli infatti, le particelle che trasportano elettricità sono soltanto gli elettroni liberi, cioè gli elettroni di conduzione.
2)Gli elettroni di conduzione si muovono continuamente in modo caotico, con una velocità media di105 m/s: questo moto disordinato di agitazione termica però, non costituisce una corrente.

È necessario infatti, affinché si generi un flusso di corrente, che fra gli estremi di un filo metallico, sia mantenuta per mezzo di un generatore, una differenza di potenziale. Così facendo, all’interno del filo si stabilisce un campo elettrico che agisce di conseguenz sugli elettroni di conduzione, i quali vengono messi in movimento nella stessa direzione del campo, ma in verso opposto. Al moto di agitazione termica si sovrappone così una corrente, ovvero un moto ordinato, chiamato moto di deriva. La velocità di deriva, ha un valore molto piccolo, dell’ordine di 10-4 m/s, ma comunque sufficiente, dal momento che non sono gli elettroni a trasportare il segnale elettrico, ma il campo, che nei conduttori metallici si propaga ad una velocità molto vicina a quella della luce nel vuoto.
Corrente elettrica: moto ordinato di particelle dotate di carica elettrica. Nei conduttori metallici le particelle cariche che si spostano sono gli elettroni, che hanno carica negativa.
3) Agli inizi dell’800, quando ebbero inizio i primi studi sulla corrente elettrica, gli elettroni non erano ancora stati scoperti: pertanto venne attribuito come verso convenzionale, il verso di spostamento di una carica positiva. Tale enunciato è ancora valido: infatti il flusso di elettroni, ha verso opposto rispetto a quello della corrente, dal momento che essi, essendo carichi negativamente, si muovono in un conduttore, dall’estremo con potenziale elettrico minore, verso l’estremo con potenziale elettrico maggiore.
INTENSITA’ DI CORRENTE ELETTRICA: All’interno di un filo conduttore la corrente fluisce in maniera uniforme in ogni punto, dunque l’intensità della corrente elettrica che scorre in un conduttore è il rapporto fra la quantità di carica elettrica q che attraversa una sezione trasversale del conduttore in un intervallo di tempo t e l’intervallo di tempo stesso:
i=q/Δt
L’intensità di corrente è una grandezza scalare si misura in ampere, una delle grandezze fondamentali del Sistema Internazionale. Un conduttore è percorso da una corrente di 1A se attraverso ogni sua sezione trasversale passa 1C di carica al secondo, perciò la carica (Coulomb) è una grandezza derivata dall’ampere: 1C = 1A · s Una corrente che scorre sempre nello stesso verso con intensità costante nel tempo è chiamata corrente continua.
I generatori elettrici: il flusso di elettroni che scorre lungo il filo metallico avendo verso opposto rispetto a quello della corrente, tende ad annullare la differenza di potenziale e, di conseguenza anche l’intensità elettrica. Per mantenere costante la corrente, è necessario ripristinare in ogni istante, fra gli estremi del conduttore, la d.d.p iniziale. Questo è possibile grazie ad un generatore elettrico, come una pila. Il circuito elettrico più semplice da realizzare è quello costituito da una pila (generatore), da una lampadina e da due fili metallici. All’esterno della pila, la corrente scorre dal polo positivo al polo negativo, mentre all’interno della pila, invece, fluisce dal polo negativo al polo positivo, nel verso opposto a quello convenzionale.
La pila: all’interno della pila la corrente elettrica non è costituita da un flusso di elettroni, ma da migrazioni di ioni positivi e ioni negativi (particelle cariche elettricamente), che si muovono in verso opposto rispetto a quello della forza elettrica, poiché risentono di un’azione chimica. Gli ioni rilasciati infatti, reagiscono con la sostanza in cui sono immersi: la pila non crea energia elettrica, ma converte in energia elettrica, l’energia chimica posseduta dalle sostanze intrinseche. Questo è il motivo per cui la pila si scarica: ciò avviene quando le reazioni chimiche non sono più in grado di convertire l’energia, cioè quando raggiungono lo stato d’equilibro. La prima pila venne ideata da Alessandro Volta ed era formata da dischi di zinco e rame sovrapposti, separati da dischetti di panno imbevuti di una soluzione di acido solforico.
La forza elettromotrice: un generatore deve compiere un lavoro L contro la forza elettrica per portare una carica positiva q dal polo negativo al polo positivo: per questo motivo è caratterizzato da una forza elettromotrice. Questa grandezza coincide con il valore della d.d.p che esiste fra i poli del generatore a circuito aperto, mentre a circuito chiuso, la d.d.p. diviene minore. Quando la differenza è trascurabile, coincide con la f.e.m. e il generatore elettrico viene chiamato generatore di forza elettromotrice (o di tensione).
La f.e.m. di un generatore, uguale alla d.d.p. fra i suoi poli a circuito aperto, è il rapporto tra il lavoro L compiuto per portare una carica positiva q dal polo negativo al polo positivo e la carica stessa:
f = L/q
Più generatori collegati in serie costituiscono una batteria, la cui f.e.m. è la somma delle f.e.m. dei singoli generatori

La resistenza elettrica: quando fra gli estremi è mantenuta una certa d.d.p., il filo è percorso da una corrente elettrica la cui intensità dipende dalle proprietà del filo. La resistenza R elettrica di un conduttore, fissata la d.d.p v fra i suoi poli estremi, è il rapporto fra v e l’intensità i della corrente che lo percorre:
R = Δv/i
Data una certa d.d.p., più grande è R, meno intensa è la corrente che scorre nel conduttore: pertanto R è la misura della resistenza che il conduttore (in special modo le sue molecole) oppone al passaggio della corrente elettrica. L’unita di misura della resistenza è l’ohm (Ω), dal nome del fisico che per primo condusse uno studio su questa grandezza. 1 Ω = 1V/A
LA PRIMA LEGGE DI OHM: la resistenza nei conduttori metallici è costante, perciò a una temperatura fissata, la d.d.p. fra gli estremi di un conduttore metallico è direttamente proporzionale all’intensità di corrente che lo percorre:
∆V=R∙i
Il grafico dell’intensità di corrente in un conduttore in funzione della d.d.p. è chiamato curva caratteristica del conduttore. Per la prima legge di Ohm, la curva caratteristica di un conduttore metallico è una retta passante per l’origine, di pendenza (coefficiente angolare) uguale al reciproco della resistenza. Tutti i conduttori la cui curva caratteristica sia una retta si chiamano conduttori ohmici.
I resistori: gli elementi dei circuiti elettrici che abbiano una resistenza non trascurabile e ubbidiscono alla prima legge di Ohm sono chiamati resistori (i fili metallici sono uno degli esempi più comuni).

Strumenti di misurazione:
Lo strumento che serve per misurare l’intensità di corrente è l’amperometro.
Per eseguire misure di differenza di potenziale si adopera il voltmetro.
La resistenza di un conduttore si misura con l’ohmmetro.
Esiste anche uno strumento, chiamato multimetro, che può funzionare da amperometro, da voltmetro e da ohmmetro.

La seconda legge di Ohm: la resistenza di un filo conduttore dipende della sua lunghezza e dall’area della sua sezione trasversale: per questo possiamo dire che ad una temperatura fissata, la resistenza di un filo conduttore è direttamente proporzionale alla lunghezza del filo e inversamente proporzionale all’area della sua sezione trasversale:
R= ρ l/A
La resistività: Il coefficiente di proporzionalità ρ dipende dalla natura del materiale di cui è fatto il filo ed è chiamato resistività e viene misurato in Ω·m. La resistività inoltre dipende dalla temperatura e gli esperimenti hanno mostrato che in un ampio intervallo, vale tale relazione, in cui ρ e p0 sono rispettivamente, la resistività alla temperatura t, espressa in Celsius e la resistività alla t0 = 20 °C, mentre a è un coefficiente termico del materiale.
ρ= p0(1+a ( t- t0))