Fisica - l'elettromagnetismo - Tesina

Il potenziale elettrico e il lavoro nel campo elettrico

Il lavoro nel campo elettrico è indipendente dal percorso scelto per andare da un punto all'altro, ma dipende soltanto dalla posizione relativa dei due punti. L'unità di misura del potenziale è il volt (simbolo V), dove 1V = 1 J/1 C. Quindi tra due punti di un campo elettrico vi è una differenza di potenziale di 1 volt se il campo elettrico compie un lavoro di 1 joule quando una carica di 1 coulomb passa da un punto a un altro del campo.

Se la carica spostata non è unitaria, ma vale genericamente q, il lavoro da compiere per spostarla da un punto A ad un punto B del campo elettrico si ottiene moltiplicando la differenza di potenziale per la carica:

lavoro (∆)L = q(V_A - V_B)

Se il potenziale nel punto A è uguale al potenziale nel punto B, il lavoro da compiere per portare una carica da A a B è nullo. Le superfici di un campo elettrico dove il potenziale rimane invariato si chiamano superfici equipotenziali: lo spostamento di una carica su queste superfici non

richiede lavoro. Quando tra due punti esiste una differenza di potenziale significa che occorre compiere del lavoro per spostare una carica all'interno del campo elettrico. Esiste dunque una sorta di dislivello elettrico, che viene anche detto tensione elettrica. La distribuzione delle cariche Quando carichiamo un conduttore isolato, le cariche si distribuiscono sulla sua superficie in modo che tutte le parti del conduttore abbiano campo elettrico nullo, ovvero in modo che tutti i punti abbiano lo stesso potenziale. Allo stesso modo, quando poniamo in contatto due conduttori, ad esempio due sfere metalliche, le cariche sulla loro superficie si distribuiranno in modo che il sistema composto dai due conduttori abbia potenziale uniforme, ovvero in modo che i due conduttori abbiano lo stesso potenziale. Se una delle due sfere possiede una carica superiore all'altra, quando sono messe in contatto, parte della carica presente sulla sfera più carica fluisce sulla sfera meno carica, e ilflusso di cariche si arresta solo quando le due sfere hanno il medesimo potenziale. Come immagazzinare cariche elettriche Durante i primi studi sull'elettricità, attorno alla metà del sec. XVIII, alcuni scienziati iniziarono a chiedersi se fosse possibile immagazzinare in un conduttore una certa quantità di carica elettrica e fare in modo che questa non venisse dispersa. Il primo strumento che venne costruito con questo scopo è la bottiglia di Leida (che deve il suo nome alla città olandese nella quale lo studioso Pieter van Musschenbroek la costruì nel 1745). La bottiglia di Leida era costituita da una bottiglia di vetro rivestita sia internamente sia esternamente da un foglio di carta stagnola opportunamente caricato; una catenella di materiale conduttore in contatto con la stagnola veniva fatta fuoriuscire dal tappo (isolante) della bottiglia. Se si toccava la catenella, si avvertiva una forte scossa elettrica, a dimostrazione che la bottiglia era un

accumulatore di cariche elettriche. La bottiglia di Leida rappresenta il primo esempio di condensatore, un mezzo molto semplice per immagazzinare carica elettrica in un corpo.

Il condensatore è un dispositivo in grado di immagazzinare quantità consistenti di carica elettrica. Generalmente è formato da due conduttori che vengono chiamati armature con cariche di uguale intensità ma di segno opposto, separati uno dall'altro da un isolante.

Un tipo molto semplice di condensatore è il condensatore piano, costituito da due lamine metalliche poste a piccola distanza tra loro e separate da un isolante. Caricando una delle due lamine con una carica positiva +Q e ponendo l'altra a terra, quest'ultima verrà caricata per induzione con una carica ∆Q. Si formerà quindi una differenza di potenziale ∆V che dipenderà dall'intensità della carica: se si raddoppia la carica, raddoppierà anche la differenza di potenziale.

La differenza di potenziale tra le due armature equindi raddoppierà il lavoro che occorre compiere per portare una carica da una armatura all'altra; se si triplica la carica, si triplica anche la differenza di potenziale. Il rapporto tra la carica del condensatore e la differenza di potenziale tra le due armature resta però costante. Tale rapporto rappresenta la capacità elettrica del condensatore ed è definito da: La capacità di un condensatore piano è indipendente dalla sua carica, ma dipende soltanto dalle dimensioni delle armature, dalla distanza interposta tra esse e dal tipo di materiale isolante. Avvicinando le due armature, o aumentando la loro superficie, si ottiene una capacità maggiore, quindi una.

maggiore efficienza di accumulo di carica elettrica. Il condensatore cilindrico è largamente impiegato nei circuiti elettrici perché raggiunge capacità molto elevate e occupa poco spazio. È formato da due sottili strisce di materiale conduttore (per esempio, stagno o alluminio) tra le quali viene interposta una striscia di materiale isolante (carta paraffinata o plastica).

La corrente elettrica

Introduzione

La maggior parte delle applicazioni dell'elettricità è legata alla corrente elettrica: quando accendiamo un apparecchio elettrico, una lampada, un elettrodomestico o una radio, questi si mettono in moto perché in essi fluisce corrente elettrica. La storia dell'elettricità e dei suoi utilizzi pratici segna una svolta proprio nel passaggio dall'elettricità statica, che tratta le cariche in quiete, all'elettricità dinamica, che tratta le cariche in movimento e quindi la corrente elettrica. La svolta avviene

Attorno al 1800 per opera del fisico italiano Alessandro Volta che ideò il primo generatore di corrente, la pila, in grado di mantenere per un tempo relativamente lungo il flusso di cariche elettriche in un conduttore.

Che cos'è la corrente elettrica? Se si avvicinano due conduttori carichi, tra i quali vi sia una differenza di potenziale, si produce un flusso di cariche elettriche negative dal conduttore a potenziale minore verso il conduttore a potenziale maggiore oppure un flusso di cariche elettriche positive in senso contrario. Il flusso di cariche elettriche costituisce la corrente elettrica e ha lo scopo di stabilire l'equilibrio elettrico tra i due conduttori; tale flusso si arresta quando questi hanno raggiunto lo stesso potenziale.

Le cariche elettriche in moto possono essere di diversa natura. Nei liquidi e nei gas la corrente elettrica è costituita da cariche positive e da cariche negative, mentre nei conduttori metallici la corrente è dovuta alle cariche negative.

sole cariche negative, glielettroni. Per convenzione, il verso della corrente elettrica è quello in cui si muovono le cariche positive, perciò la corrente18procede dai punti a potenziale maggiore verso quelli a potenzialeminore. Nei conduttori metallici, in cui si muovono solo glielettroni, il loro verso quindi è contrario al verso convenzionaledella corrente.

Si definisce intensità della corrente elettrica I il rapporto ∆Q tra la quantità di carica che passa attraverso una sezione del ∆t conduttore e l'intervallo di tempo in cui avviene il passaggio:

L'intensità di corrente è una grandezza scalare e la sua unità di misura è l'ampere (simbolo A) in onore del fisico francese André Marie Ampère (1775-1836); 1 ampere è definito come l'intensità di una corrente che trasporta, attraverso la sezione del conduttore, la carica di 1 coulomb in 1 secondo:

La corrente elettrica può

cambiare da momento a momento; quando è unidirezionale e la sua intensità rimane costante nel tempo, si dice che la corrente è continua; se l'intensità e il verso variano periodicamente nel tempo, la corrente si dice alternata.

Generatori di tensione

Il flusso di cariche elettriche in un conduttore, ovvero il flusso di corrente elettrica, continua fintanto che alle estremità del conduttore persiste una differenza di potenziale. Quando si è stabilito l'equilibrio, ovvero quando il potenziale elettrico è uguale in tutti i punti del conduttore, il flusso di corrente cessa. Se si vuole fare in modo che la corrente continui a fluire e non si interrompa una volta raggiunto l'equilibrio elettrico, occorre l'intervento di un dispositivo che mantenga la differenza di potenziale, cioè che fornisca a un conduttore l'energia necessaria per mantenere la corrente elettrica al suo interno: un tale dispositivo si chiama

generatore di tensione o generatore elettrico; la sua funzione è quella di controbilanciare l'effetto del moto delle cariche elettriche attraverso il conduttore, che tende ad annullare la differenza di potenziale. Sono generatori di tensione le pile elettriche, le batterie delle automobili e le dinamo, che trasformano energia di diversa natura in energia elettrica. Le pile e le batterie delle auto trasformano energia chimica in energia elettrica; la dinamo si basa sulla produzione di elettricità dovuta a un campo magnetico. Il primo generatore di corrente fu proprio la pila costruita da Alessandro Volta. Un generatore è dotato di due morsetti detti polo negativo (-), a potenziale più basso, e polo positivo (+), a potenziale più alto. Esso accumula le cariche positive al polo positivo e le cariche negative al polo negativo, compiendo un lavoro contro le forze del campo elettrico. Unendo tra loro con un conduttore (per esempio, un filo metallico) i poliopposti del generatore, le cariche scorrono entro il conduttore: un generatore permette quindi di ottenere corrente elettrica per un lungo periodo di tempo.

Pila di Volta

Alessandro Volta notò che se in una catena chiusa di conduttori di prima classe, cioè i metalli, si interpone un conduttore di seconda classe, cioè una soluzione elettrolitica di sali acidi o basi, la differenza di potenziale ai capi della catena risulta diversa da zero. Egli realizzò la catena prendendo una lamina di zinco e rame e una di rame, ponendo tra lo zinco della prima e il rame della seconda una soluzione di acido solforico H₂SO₄. La catena in realtà avrebbe la stessa differenza di potenziale ai capi A e B.