Corrente elettrica

In questo appunto di fisica si descrive che cosa sia la corrente elettrica e i circuiti in corrente continua. In seguito si descrive anche cosa sia il campo elettrico, l'induzione e la polarizzazione elettriche, la distribuzione delle cariche sui conduttori, la costante dielettrica, lo schermaggio elettrostatico, il potere delle punte e la formazione dei fulmini, la capacità elettrica e il condensatore, l'energia potenziale elettrica e il potenziale elettrico.

Tutti questi argomenti vengono descritti anche con le formule di riferimento.

La corrente elettrica e i circuiti in corrente continua

Per funzionare, un dispositivo elettrico deve essere collegato a una sorgente di energia elettrica. La sorgente che alimenta la lampadina è la batteria: quando chiudiamo l'interruttore, nel circuito che collega la lampadina alla batteria si stabilisce un passaggio di corrente, e la lampadina si accende. (il circuito elettrico collega una sorgente di energia elettrica -batteria- a un utilizzatore -la lampadina-, che assorbe energia elettrica per funzionare). In ogni circuito elettrico sono presenti una sorgente di energia e uno, o più, dispositivi che funzionano utilizzando la corrente da essa generata (utilizzatori); a seconda dell'utilizzatore, l'energia elettrica portata dalla corrente dà origine a effetti diversi: termico, chimico, magnetico. Gli strumenti di misura della corrente si chiamano amperometri.
Nei metalli, la corrente elettrica è un flusso di elettroni che trasferisce energia dalla sorgente all'utilizzatore; essendo negativi, gli elettroni si spostano dal polo negativo della pila, da cui sono respinti, a quello positivo, da cui sono attratti. Convenzionalmente siamo abituati a considerare la corrente elettrica come un flusso di cariche positive, che fluisce dal polo positivo a quello negativo della pila.
L'intensità della corrente elettrica è uguale alla quantità di carica che attraversa la sezione di un circuito nell'unità di tempo: I = Dq/Dt
Nel S.I., l'intensità della corrente elletrica è considerata una grandezza fondamentale e la sua unità di misura è l'ampere (A). Dq = I Dt
L'unità di misura della carica è il coulomb; per definizione 1 coulomb = 1 ampere x 1 secondo (1 C = 1 A s). Un coulomb è la quantità di carica che attraversa in un secondo la sezione di un conduttore percorso da una corrente di un ampere.
Una batteria è un dispositivo che mantiene tra i suoi poli una differenza di potenziale, o tensione costante; essa fornisce energia potenziale alle cariche positive; le cariche spendono quest'energia per fluire nel circuito.

Il campo elettrico

Accostando in parallelo due lamine metalliche che portano cariche uguali, ma di segno opposto, si realizza un importante dispositivo elettrico, il condensatore; al suo interno in campo è uniforme, con lievi deviazioni alle estremità, e all'esterno è nullo. Questo campo è la somma di quelli delle due lamine, concordi all'interno del condensatore e discordi all'esterno, dove si annullano.

L'induzione e la polarizzazione elettriche

Se si avvicina una bacchetta di vetro carica positivamente a un conduttore neutro, le forze elettriche generate dalla bacchetta attirano gli elettroni del conduttore, che sono liberi di muoversi; di conseguenza, l'estremità vicina del conduttore si carica negativamente, e quella opposta positivamente. La bacchetta induce una separazione della carica nel conduttore neutro. L'induzione elettrica è intensa nei conduttori, nei quali è presente un numero elevato di elettroni liberi di muoversi. L'induzione genera effetti evidenti anche negli isolanti, ma di intensità assai minore; ciò è dovuto al fatto che negli isolanti non vi sono cariche libere di muoversi.
Le estremità di una molecola d'acqua, che è neutra, risultano cariche di segno opposto, per il fatto che l'ossigeno attira verso di sé gli elettroni dei legami covalenti con l'idrogeno, acquistando carica negativa, e rendendo positivi gli atomi di idrogeno; la molecola d'acqua presenta così polarità cariche di segno opposto, e per questo si dice che è una molecola polare. Dato che la distribuzione di carica indotta più vicina al corpo carico inducente ha segno a esso contrario, la forza di attrazione tra il corpo e il materiale prevale su quella di repulsione (come nella penna) ed esso viene attratto. Questo fenomeno si chiama polarizzazione elettrica e riguarda tutte le sostanze isolanti.

La costante dielettrica

La forza che si esercita tra due cariche elettriche dipende dall'ambiente (mezzo) in cui si trovano; è massima nel vuoto e diminuisce nei materiali per il fatto che le cariche polarizzano le molecole del mezzo, e ne risultano schermate. La costante dielettrica esprime questa dipendenza della forza elettrica dal mezzo.

La distribuzione delle cariche sui conduttori

Caricare positivamente un conduttore significa sottrargli elettroni e caricarlo negativamente cederglieli. Appena un conduttore viene caricato, la carica in eccesso si distribuisce su di esso e trova una posizione stabile; si dice allora che il conduttore carico è in equilibrio elettrostatico. Non si può trovare carica in eccesso all'interno di un conduttore carico. Il fatto che un conduttore, appena caricato, si porti istantaneamente in equilibrio elettrostatico, significa che la carica in eccesso va a collocarsi sulla sua superficie.

Lo schermaggio elettrostatico

La pellicola superficiale di carica in equilibrio produce due effetti: un campo elettrico diretto verso l'esterno perpendicolare alla superficie del conduttore e un campo elettrico interno dappertutto nullo; le cariche si dispongono sulla superficie in modo da produrre un campo elettrico risultante nullo in ogni punto. Il campo è nullo anche nelle cavità presenti all'interno del conduttore. All'interno del corpo, i campi elettrici generati da queste cariche si sommano con il campo esterno, dando una risultante nulla in ogni punto. Inoltre, nel volume interno di un conduttore non si sentono né gli effetti delle cariche poste sulla sua superficie, né di quelle esterne: questa proprietà consente di schermare gli oggetti dai campi elettrici statici semplicemente chiudendoli in un involucro di conduttore. Per ottenere un valido schermo elettrostatico non è necessario che il rivestimento del conduttore abbia una superficie continua; funziona bene un involucro di rete metallica, detto gabbia di Faraday.

Il potere delle punte e la formazione dei fulmini

La carica posta su una sfera metallica si distribuisce su di essa uniformemente; su un conduttore di forma irregolare, la carica si concentra nelle zone dove la superficie è più curva, ossia nelle punte. Vicino alle punte il campo elettrico è molto più intenso che nelle altre zone della superficie e può provocare una maggiore ionizzazione dell'aria circostante. Nell'aria c'è sempre un piccolo numero di molecole ionizzate che possono a loro volta ionizzare, per urto, altre molecole neutre, in modo da creare percorsi a bassa resistenza che favoriscono il passaggio dell'elettricità atmosferica.
In una nube, a causa della differenza di temperatura tra le varie parti, si determinano forti moti convettivi dell'aria e del vapore acqueo. Il mescolamento di queste masse d'aria e vapore genere, per strofinio, enormi cariche elettriche che si distribuiscono nella nube. Tra la nume e il terreno si stabilisce un forte campo elettrico (nube negativa, terreno positivo) ed in tal modo la carica temporalesca si scarica a terra. E' assai probabile che i fulmini colpiscano le punte perché il forte campo elettrico che le circonda diminuisce più che altrove la resistenza dell'aria.

La capacità elettrica e il condensatore

I conduttori hanno una diversa capacità elettrica. La elettrica di un corpo è il rapporto tra la carica che esso possiede e il suo potenziale: C = Q / V (capacità elettrica).
La sua unità di misura è il farad; si ha: 1 farad = 1 coulomb/ 1 volt -> 1 F = 1 C / V
Il farad è un'unità di misura piuttosto grande; le capacità elettrice ordinarie si misurano con i sottomultipli (micro, pico e nano).
Il condensatore a facce piane è un dispositivo formato da due armature parallele che portano cariche uguali, ma di segno opposto; il suo campo elettrico è nullo all'esterno, e uniforme all'interno delle armature.

L'energia potenziale elettrica e il potenziale elettrico

L'energia potenziale di un corpo posto ad un'altezza nel campo gravitazionale vicino alla Terra è data da: Ep = m g h
L'energia potenziale di una carica in un campo di forze elettriche viene definita come il lavoro che una forza esterna esegua sulla carica per spostarla dal punto in cui si è posto Ep = 0 fino alla posizione considerata. L'energia potenziale di una carica q è: Ep = q E x
Il potenziale elettrico V di un punto è il rapporto tra l'energia potenziale elettrica di una carica posta in quel punto e la carica stessa; la sua unità di misura è il volt (v):
V = Ep / q 1 volt = 1 joule / 1 coulomb