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semiconduttori che sono molto usati nell’industria micro-

elettronica.

Elettrizzazione per contatto

I materiali conduttori possono venire elettrizzati ponendoli a

contatto con un corpo elettricamente carico, cioè possono essere

elettrizzati per contatto. Anche in questo caso si ha un

trasferimento di cariche elettriche da un corpo a un altro: il

corpo elettricamente carico cede parte delle sue cariche (positive

o negative) al corpo neutro rendendolo carico.

L’elettroscopio (fig. 1) è uno strumento basato sulla proprietà

dei conduttori di venire elettrizzati per contatto e permette di

verificare se un corpo è elettricamente carico. E’ costituito da

un’asta metallica verticale alla cui estremità inferiore sono

attaccate due sottili lamelle di metallo generalmente d’oro o

d’alluminio. Il tutto è racchiuso in un contenitore di vetro da

cui esce soltanto un pomello anch’esso di metallo. Se l’asta

dell’elettroscopio non è carica elettricamente, sotto l’influenza

della forza di gravità le due lamine si dispongono verticalmente.

Se invece tocchiamo il pomello dell’elettroscopio con un corpo

carico, la carica elettrica trasmessa al pomello passerà all’asta

e quindi alle foglioline, che caricate dello stesso segno si

respingeranno e si allontaneranno tra loro.

L’elettroscopio può venire usato anche per verificare se un

corpo è un conduttore o un isolante. Se poniamo in contatto con il

pomello dell’elettroscopio caricato elettricamente un isolante, le

lamelle resteranno divaricate, mentre se il contatto avviene con

un conduttore l’elettroscopio si scarica, trasferendo le sue

cariche al conduttore e le due lamelle si riavvicineranno.

7

Figura 1. Se si tocca la sferetta esterna di un elettroscopio con un oggetto

elettrizzato,le lamelle metalliche all’interno della boccia di vetro si elettrizzano a

loro volta, caricandosi dello stesso segno, e perciò si separano.

Elettrizzazione per induzione

Un terzo modo per elettrizzare un corpo neutro è basato sul

fenomeno dell’induzione elettrostatica (fig. 2). Supponiamo di

avvicinare due sfere metalliche, isolate da terra mediante un

manico di plastica, l’una carica positivamente e l’altra neutra.

Per effetto della forza di attrazione elettrica, gli elettroni

liberi presenti sulla superficie della sfera neutra tenderanno a

concentrarsi nella parte della sfera più vicina alla sfera carica

positivamente, mentre sulla parte più lontana si produrrà una

concentrazione di cariche positive. Sulla sfera neutra si dice che

è stata indotta una separazione di cariche. Allontanando

nuovamente la sfera carica, le cariche sulla sfera neutra tornano

a neutralizzarsi e si ristabilisce l’equilibrio. La sfera carica

viene detta corpo induttore e la sfera sulla quale si produce la

separazione di cariche viene detta corpo indotto. In questo tipo

di elettrizzazione non si ha trasferimento di cariche, cioè il

corpo indotto rimane nel suo complesso elettricamente neutro, ma

si ha una separazione di cariche sulla sua superficie, a seguito

della quale il corpo diviene in grado di esercitare una forza

elettrica su un altro corpo carico.

Il fenomeno dell’induzione elettrostatica viene sfruttato per

esempio nei parafulmine, il cui scopo è quello di impedire che le

scariche elettriche prodotte dai fulmini colpiscano gli edifici.

Il parafulmine è costituito da un’asta metallica appuntita, posta

sulla sommità dell’edificio da proteggere e collegata a terra

mediante un conduttore. Il passaggio di una nuvola carica di

elettricità induce sulla punta del parafulmine una carica di segno

opposto. Gli oggetti appuntiti sono in grado di attrarre

maggiormente le cariche di segno opposto, poiché il fenomeno

dell’induzione su una punta porta alla migrazione di molte cariche

in una superficie ridotta: questo fa sì che la forza attrattiva di

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un oggetto affusolato, come appunto il parafulmine, sia maggiore.

Questo fenomeno si dice effetto punta. La carica indotta sul

parafulmine favorisce il prodursi di una scarica elettrica tra la

nuvola carica di elettricità e il parafulmine stesso, il quale

collegato a terra permette in tal modo al fulmine di scaricarsi e

di non danneggiare l’edificio.

Figura 2. L’induzione elettrostatica: A è il corpo induttore e B il corpo indotto: gli

elettroni liberi presenti sulla superficie del corpo indotto tendono a concentrarsi nella

zona più prossima al corpo induttore, carico positivamente.

La carica elettrica

La carica elettrica, come ogni altra grandezza fisica, è

misurabile, ovvero è possibile stabilire quanta carica elettrica

possiede un corpo carico in base a un’unità di misura della

carica. Nel Sistema Internazionale l’unità di misura della carica

elettrica è il coulomb (simbolo C), dal nome del fisico francese

Charles Augustin Coulomb (1736-1806). Il coulomb è definito a

partire dalla corrente elettrica, costituita dal movimento

ordinato delle cariche elettriche ed è pari alla carica che

transita in 1 secondo attraverso la sezione di un circuito

percorso da una corrente di 1 ampere (A), che è l’unità di misura

della corrente.

Il valore della carica elettrica più piccola esistente, quella

dell’elettrone, viene indicata con e e vale:

⋅ -19

C

e = 1,6021 10 9

Tutte le altre cariche elettriche esistenti in natura o

prodotte artificialmente sono multipli della carica dell’elettrone

che per questo motivo viene anche detta carica elettrica

elementare; la carica elettrica dell’elettrone quindi è

estremamente piccola ed è per questo motivo che non è stata scelta

come unità di misura della corrente elettrica.

La carica elettrica si conserva

In analogia con quanto visto per la massa e l’energia, esiste

anche una legge di conservazione della carica elettrica: in un

sistema fisico isolato, la quantità totale di carica elettrica

rimane invariata nel tempo, anche quando vengano scambiate cariche

elettriche tra le parti del sistema (cioè in un sistema isolato

non c’è creazione di cariche elettriche, ma queste passano da un

corpo a un altro, conservandosi in quantità). Quando strofiniamo

una bacchetta di vetro con un panno di lana, la bacchetta si

carica positivamente e gli elettroni in eccesso passano sul panno

che si carica negativamente: la carica elettrica totale del

sistema bacchetta-panno si conserva, ovvero rimane invariata.

La legge di conservazione della carica deve valere anche a

livello dell’atomo, perciò quando in una reazione atomica o

nucleare si ha produzione di una particella carica negativamente,

deve venire prodotta anche una carica positiva.

La legge di Coulomb

Tra due corpi elettricamente carichi si esercita una forza

attrattiva se i due corpi hanno cariche di segno opposto,

repulsiva nel caso contrario.

Nel 1785 per determinare la legge di interazione elettrostatica

Coulomb utilizzò un apparato strumentale, chiamato bilancia a

torsione, costituito da un filo sottile che reca a un’estremità

una bacchetta di materiale isolante; ai due estremi della

bacchetta sono poste due sferette metalliche, che chiameremo A e

A’. La sferetta A è carica e la sferetta A’ le fa da contrappeso,

in modo che la bacchetta sia disposta sul piano orizzontale. Il

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sistema delle due sferette può ruotare attorno al centro della

bacchetta, il punto in cui è fissato il filo. Messa in contatto

con un’altra sferetta carica B, fissa e isolata elettricamente da

un piccolo manubrio di materiale isolante, la sferetta A subisce

una forza che provoca la rotazione della bacchetta: misurando

l’angolo di rotazione della bacchetta su una scala graduata si può

risalire all’intensità della forza che si esercita tra le due

sferette. Dopo parecchi esperimenti, Coulomb si accorse che se

utilizzava sferette molto piccole, che con una approssimazione

possono essere considerate puntiformi, la forza seguiva una legge

piuttosto semplice, che formalizzò sotto forma della legge di

Coulomb, secondo la quale la forza F che si esercita tra due

cariche elettriche puntiformi q e q , poste nel vuoto a distanza d

1 2

l’una dall’altra, è direttamente proporzionale al prodotto delle

due cariche e inversamente proporzionale al quadrato della loro

distanza:

dove k è un fattore di proporzionalità che viene detto costante di

. 9 2 2

Coulomb (pari a 9 10 Nm /C ).

La legge di Coulomb indica anche se la forza esercitata tra i

due corpi carichi è attrattiva o repulsiva: se le due cariche

hanno lo stesso segno, il loro prodotto sarà positivo e la forza

che si esercita tra loro avrà segno positivo, quindi sarà

repulsiva. Se le cariche hanno segni opposti, il loro prodotto è

negativo e la forza che si esercita tra loro ha segno negativo,

quindi è attrattiva.

La legge di Coulomb, relativa all’interazione elettrostatica,

ha la medesima struttura della legge di gravitazione universale:

entrambe le forze sono direttamente proporzionali al prodotto

delle proprietà dei due corpi (la massa nel caso della forza

gravitazionale, la carica elettrica nel caso della forza

elettrostatica) e inversamente proporzionali al quadrato della

loro distanza. Va comunque rammentato che la forza di gravità, a

differenza di quella elettrica, è sempre e solo attrattiva.

11

Inoltre la forza elettrica è molto più intensa di quella

gravitazionale (la forza elettrica di attrazione fra un protone e

39

un elettrone all’interno dell’atomo di idrogeno è di ben 10 volte

superiore rispetto alla forza gravitazionale tra le due

particelle). Il campo elettrico

Introduzione

Il concetto di campo di forze si incontra in fisica tutte le

volte che vi è la necessità di spiegare una forza che agisce a

distanza. Una carica elettrica esercita una forza su un’altra

carica, più precisamente esiste una regione di spazio attorno alla

carica che risente della forza elettrica: a questa regione di

spazio si dà il nome di campo elettrico. Analogamente al campo

gravitazionale, il campo elettrico è un campo di forze

conservativo, quindi è possibile introdurre il potenziale

elettrico: la differenza di potenziale elettrico fornisce una

misura del lavoro da compiere per spostare una carica all’interno

del campo.

Il concetto di campo elettrico

Il campo elettrico è la regione di spazio in cui agisce la

forza elettrica esercitata da una carica su altre cariche

eventualmente presenti. Come per il campo gravitazionale, si dice

che una carica elettrica genera attorno a sé un campo elettrico,

nel senso che modifica le proprietà dello spazio circostante in

modo che una qualunque altra carica posta nelle vicinanze viene

sollecitata da una forza di natura elettrica.

Il campo elettrico è un campo vettoriale, perché caratterizzato

da una forza, quella elettrica, ed è conservativo, perché il

lavoro che si compie per passare da un punto a un altro del campo

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non dipende dal cammino scelto, ma solo dai punti iniziale e

finale.

Il vettore campo elettrico

Per verificare l’esistenza del campo elettrico generato da una

carica Q si introduce una carica di prova q, di intensità molto

più piccola, nella regione di spazio occupata da Q (è importante

sottolineare che il campo generato da Q esiste indipendentemente

dalla presenza della carica di prova q). La forza esercitata da Q

su q, divisa per il valore di q, è indipendente dalla carica di

prova. Questa grandezza si definisce vettore intensità del campo

elettrico e si indica con E. Per definizione quindi:

dove F rappresenta la forza elettrostatica e q la carica

esploratrice; l’unità di misura del campo elettrico nel Sistema

Internazionale è newton/coulomb (N/C). Poiché in base alla legge

di Coulomb l’intensità della forza è:

operando la sostituzione di F nella (1), l’intensità del campo

elettrico è data da:

dove d è la distanza tra la carica Q e il punto nel quale viene

misurato il campo con la carica q. L’intensità del campo elettrico

dunque non dipende dalla carica di prova q, ma dalla distanza alla

quale il campo viene misurato: allontanandosi dalla carica Q

generatrice del campo, la sua intensità diminuisce.

Le linee di forza

Un campo elettrico può essere rappresentato graficamente

attraverso le linee di forza: ciascuna di esse corrisponde, in

ogni punto, alla traiettoria che verrebbe percorsa da una carica

elettrica posta in quel punto. Inoltre in ogni punto di una linea

di forza l’intensità del campo è rappresentata da un vettore

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tangente alla linea in quel punto. Le linee di forza sono

orientate: il loro verso va dalla carica positiva o dai corpi

positivi alla carica negativa o ai corpi negativi. La

rappresentazione attraverso le linee di forza è abituale in fisica

per visualizzare i campi vettoriali, ma va sottolineato che non

corrisponde a qualcosa di realmente esistente, bensì è una comoda

astrazione che viene usata per rappresentare la variazione del

campo nello spazio, ovvero per individuare direzione e verso del

campo in ogni punto dello spazio.

Il potenziale elettrico

Il campo elettrico è un campo conservativo: infatti il lavoro

che occorre compiere per portare una carica da un punto a un altro

all’interno del campo è indipendente dal percorso scelto e dipende

soltanto dai punti iniziale e finale. Se per esempio volessimo

avvicinare una carica positiva +q a distanza d da una carica

positiva +Q, che consideriamo la sorgente del campo elettrico,

occorrerebbe compiere un lavoro contro le forze del campo, che in

questo caso tenderebbero a respingere la carica. Il lavoro da

compiere quindi sarebbe un lavoro positivo, perché "fornito"

dall’esterno rispetto al sistema di cariche. Se invece volessimo

allontanare una carica negativa −q a distanza d da +Q, dovremmo

vincere le forze attrattive tra le due cariche e quindi compiere

un lavoro negativo. In entrambi i casi il lavoro da svolgere

sarebbe indipendente dalla strada che sceglieremmo per portare la

carica ±q a distanza d dalla carica +Q. Se volessimo far compiere

a una carica positiva un percorso chiuso all’interno del campo

elettrico generato da +Q, il lavoro totale sarebbe nullo: il

lavoro positivo svolto contro le forze del campo per avvicinarla a

+Q sarebbe uguale e contrario al lavoro negativo, svolto dal

sistema di cariche per riallontanarla, e la somma darebbe zero.

Ciò è vero anche per una carica negativa −q .

Si definisce potenziale elettrico e si indica con V, il lavoro

che occorre compiere per portare una carica unitaria da un punto

14

qualsiasi del campo elettrico all’infinito (un punto infinitamente

lontano esterno al campo). Il potenziale elettrico varia da punto

a punto in un campo: a punti diversi dello spazio corrispondono

potenziali diversi. Il lavoro da compiere per portare una carica

unitaria da un punto A (potenziale elettrico V ) a un punto B

A

(potenziale elettrico V ), entrambi interni al campo, sarà dato

B

dalla differenza di potenziale (∆) tra i due punti del campo:

L = V - V

A B

Tale lavoro 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 1

V = 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

per la carica:

potenziale (∆)

L = q(V - V )

A 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

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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

il flusso 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

Un 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. 16

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 Tra le due lamine

∆Q. ∆V,

si formerà quindi una differenza di potenziale che dipenderà

dall’intensità della carica: se si raddoppia la carica,

raddoppierà la differenza di potenziale tra le due armature e

quindi 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 L’unità di misura della capacità è il farad (F), definito come

la capacità di un condensatore che presenti una differenza di

potenziale di 1 volt quando su di esso è posta una carica di 1

coulomb:

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. E’ 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).

17

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

ristabilire 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 sole cariche negative, gli

elettroni. Per convenzione, il verso della corrente elettrica è

quello in cui si muovono le cariche positive, perciò la corrente

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procede dai punti a potenziale maggiore verso quelli a potenziale

minore. Nei conduttori metallici, in cui si muovono solo gli

elettroni, il loro verso quindi è contrario al verso convenzionale

della 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

ristabilito 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

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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 poli opposti 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 H SO . La

2 4

catena in realtà avrebbe la stessa differenza di potenziale ai

capi A e B anche se la prima lamina fosse solo di zinco, poiché la

differenza di potenziale è dovuta alla presenza della soluzione

che collega lo zinco al rame.

In una cella elettrolitica si possono riprodurre gli stessi

contatti: in una soluzione di acido solforico sono inserite una

barretta di zinco e una di rame. Lo zinco si ossida e collegando

dall’esterno le due barrette, gli elettroni si muovono verso

20

quella di rame che si riduce acquistando elettroni. Si verifica

una reazione di ossidoriduzione. Ogni specie chimica ha una

specifica tendenza a cedere o acquistare elettroni; nel primo

caso si ossida, nel secondo caso si riduce.

La pila di Volta è un primo esempio di generatore di corrente:

il filo esterno che collega lo zinco con il rame è attraversato da

corrente elettrica.

La pila elettrica

La pila elettrica è un dispositivo in grado di trasformare

l’energia chimica prodotta in una reazione chimica di ossido-

riduzione in energia elettrica. Tutte le pile derivano dalla pila

di Volta.

Una pila elettrica è un sistema costituito da due scomparti

distinti (semicelle) collegati tra loro da un ponte salino o da un

setto poroso, contenenti ciascuno un elettrolita (che può essere

liquido, come una soluzione ionica nella pila Daniell, o solido,

come nelle pile a secco oggi in uso) in cui è immerso un elettrodo

di materiale conduttore a bassa resistenza. La soluzione di una

semicella è riducente (cioè riceve elettroni dall’elettrodo in

essa immerso, che viene chiamato catodo), mentre quella dell’altra

è ossidante (cioè cede elettroni all’elettrodo in essa immerso,

che viene chiamato anodo). La differenza di potenziale che si

stabilisce tra i due elettrodi costituisce la forza elettromotrice

della pila. Se i due elettrodi vengono collegati con un

conduttore, si produce un moto degli elettroni dal catodo verso

l’anodo (la corrente elettrica), che tenderebbe a ristabilire

l’equilibrio elettrico tra i due elettrodi, ma le reazioni

chimiche che hanno luogo all’interno della pila mantengono la

differenza di potenziale tra i due poli e la pila continua a

generare corrente. Dopo un certo periodo di tempo le reazioni

chimiche all’interno della pila cessano di avvenire, poiché il

processo genera delle sostanze che alterano il rapporto tra

elettrolita ed elettrodo, e la pila lentamente si scarica e cessa

di fornire energia elettrica. 21

Le pile a secco, o pile Leclanché, non contengono un

elettrolita liquido ed esistono in versione acida o basica. La

pila acida è costituita da un rivestimento di zinco che funziona

da anodo e da una sbarretta di carbone che è il catodo immersa in

un elettrolita solido, una pasta di biossido di manganese, cloruro

di ammonio e polvere di carbone. Nella versione alcalina il

cloruro di ammonio è sostituito da idrossido di potassio. Rispetto

alla precedente quella alcalina ha una durata maggiore, perché

l’anodo di zinco in questo caso è più stabile e si corrode più

lentamente. Tra le pile a secco oggi sono molto diffuse quelle ad

argento, in cui l’anodo è di zinco e il catodo di ossido di

argento, e quelle a mercurio (le pile a bottone) usate soprattutto

per le calcolatrici e gli orologi.

I circuiti elettrici

Un circuito elettrico è costituito da un insieme di conduttori,

collegati tra loro e collegati ai poli di un generatore di

tensione. Il più semplice circuito elettrico può essere costruito

collegando ai poli di una pila un filo metallico. All’interno del

filo metallico passa la corrente elettrica, nel verso

convenzionale che va dal polo positivo al polo negativo. Se

tagliamo il filo metallico in un punto e alle due estremità del

filo colleghiamo una lampadina, la corrente che circola nel filo

verrà spesa per accendere la lampadina. La pila fornisce alle

cariche l’energia sufficiente a muoversi, ovvero a produrre una

corrente elettrica che, muovendosi lungo il filo metallico, giunge

alla lampadina dove si ha la trasformazione dell’energia da

elettrica a luce e calore. Quando le cariche hanno ceduto la loro

energia alla lampadina ritornano al polo negativo della pila a

"fare rifornimento" e il processo si ripete. Il componente del

circuito nel quale l’energia elettrica viene spesa viene detto

resistore. 22

Quando i conduttori di un circuito sono collegati tra loro in

modo continuo (cioè se non vi sono interruzioni nel percorso delle

cariche), il circuito si dice chiuso. Se la corrente si interrompe

anche in un solo punto, il circuito è aperto. In un circuito

aperto la corrente non circola.

Figura 3. Circuito chiuso e circuito aperto

I vari elementi di un circuito possono essere collegati in

svariati modi, ma di questi i più frequenti sono il collegamento

in serie e il collegamento in parallelo (fig.4). Due conduttori

collegati in serie sono attraversati dalla stessa corrente in

successione, mentre in due conduttori collegati in parallelo la

corrente si divide in due rami per poi riunirsi dopo aver percorso

i due conduttori. In un circuito i cui elementi sono collegati in

serie tutti gli elementi devono funzionare contemporaneamente,

mentre in un circuito in parallelo è possibile aprire una parte di

circuito, mentre la restante parte continua a funzionare. In un

circuito i cui elementi sono collegati in serie, se brucia un

elemento del circuito questo si apre e non circola più corrente;

per questo motivo nei circuiti domestici i collegamenti sono in

parallelo.

Figura 4. Collegamenti di tre resistori in serie (A) e in parallelo (B).

23

La resistenza e le leggi di Ohm

Il valore dell’intensità della corrente in presenza di una

certa differenza di potenziale dipende dal mezzo entro cui la

corrente scorre. Questo significa che la relazione tra differenza

di potenziale e corrente circolante non è uguale per tutti i

conduttori, ma varia da conduttore a conduttore.

Per i conduttori metallici e per le soluzioni acquose di

elettroliti, cioè di sali acidi e basi, il fisico tedesco Georg

Simon Ohm (1787-1845) ricavò sperimentalmente due leggi dette

prima e seconda legge di Ohm.

La prima legge di Ohm stabilisce che, a temperatura costante,

la differenza di potenziale ( V) applicata agli estremi di un

conduttore è direttamente proporzionale all’intensità della

corrente (I) che lo attraversa:

∆ ⋅

V = R I

dove la costante di proporzionalità R è detta resistenza elettrica

e varia da conduttore a conduttore. La resistenza elettrica è

connessa alla difficoltà che la corrente incontra quando circola

all’interno di un conduttore: tale difficoltà dipende dalla natura

del conduttore e si manifesta attraverso la parziale dissipazione

della corrente elettrica come calore per effetto Joule. Quanto più

R è grande, tanto minore è quindi la corrente che attraversa il

conduttore per una data differenza di potenziale: ciò significa

che, per ottenere una data corrente, in conduttori con resistenze

maggiori dovremo applicare differenze di potenziale maggiori.

L’unità di misura della resistenza elettrica nel Sistema

Internazionale è l’ohm, (simbolo ). Si dice che un conduttore

presenta una resistenza di 1 ohm se, sottoposto alla tensione di 1

volt, è percorso da una corrente di 1 ampere:

La seconda legge di Ohm stabilisce che se a parità di materiale

si fanno variare la lunghezza L e la sezione S del conduttore, la

resistenza R del conduttore è proporzionale al rapporto L/S:

24

dove la costante di proporzionalità , che dipende dal materiale

con cui è fatto il conduttore, prende il nome di resistività e

indica l’attitudine di un materiale a condurre la corrente

elettrica, riferita a un campione di sezione e di lunghezza

unitari.

Nel Sistema Internazionale la resistività si esprime in ohm per

metro (Ω⋅m), ma, poiché normalmente la sezione di un conduttore si

2 e la sua lunghezza in m, per comodità di calcolo si

misura in mm Ωmm 2

preferisce esprimerla in /m.

Le due leggi di Ohm non valgono soltanto per i conduttori ma,

sia pure con qualche approssimazione, anche per gli isolanti. Dal

valore della resistività di un materiale si ricava la sua capacità

di condurre elettricità: così, per un buon conduttore i valori di

Ωm,

-8 -5

a 10 mentre per un buon isolante

resistività vanno da 10 11 17

devono essere tra a 10 e 10 m; certe sostanze con

caratteristiche intermedie, i semiconduttori, hanno valori

intermedi di resistività. La resistività dei conduttori cresce con

la temperatura secondo una legge lineare.

La potenza elettrica

In un circuito elettrico viene spesa energia elettrica,

prodotta da un generatore, per far funzionare un dispositivo: per

esempio, una lampadina. L’energia spesa è energia potenziale

elettrica, trasportata dalle cariche, che viene trasformata in

altre forme di energia (calore e luce nel caso della lampadina).

La quantità di energia spesa nell’unità di tempo è la potenza

elettrica. In un campo elettrico E, il lavoro delle forze

elettriche per trasferire la carica q dall’inizio alla fine di un

conduttore di lunghezza s, tra i cui estremi esiste una differenza

di potenziale V, è dato da:

L = q V

quindi la potenza elettrica P è data da:

25

e poiché q/t è l’intensità di corrente I, si ha:

P = VI

Quindi, un circuito in cui circola una corrente di intensità I

e ai cui estremi viene applicata una differenza di potenziale V

consuma una potenza P = VI.

L’unità di misura della potenza è il watt (simbolo W) pari a 1

∆ .

joule al secondo. Dalla relazione P = VI si ricava che 1 W = 1 V 1

A, dunque un disposi-tivo elettrico assorbe una potenza di 1 W se

in esso circola una corrente di 1 A quando ai suoi estremi è

applicata una differenza di potenziale di 1 V.

Poiché il watt è una misura relativamente bassa (una lampadina

consuma in media 60 W, un aspirapolvere domestico 800 W), in

genere si usano dei multipli di questa grandezza, come il

kilowatt, dove 1 kW = 1000 W (per valutare i consumi negli

impianti domestici si usano i kilowattora, kWh, che misurano la

potenza consumata dal circuito in 1 ora), oppure i megawatt (1 MW

= 1.000.000 W, l’ordine di grandezza della potenza prodotta in una

centrale elettrica), o i gigawatt (1 GW = 1 miliardo di watt).

Dispositivi di sicurezza e di misurazione

Negli impianti domestici o negli apparecchi elettrici di uso

comune vengono in genere inseriti dei dispositivi di sicurezza che

impediscono che nel circuito si formino sovraccarichi di corrente.

Per esempio i fusibili sono dei piccoli tratti di metallo che

interrompono il circuito se l’intensità della corrente supera

determinati valori.

I circuiti elettrici sono sempre dotati di interruttori, per

aprire o chiudere il circuito in casi particolari, o di

interruttori di sicurezza che hanno lo stesso ruolo dei fusibili,

ovvero aprono il circuito interrompendo il passaggio di corrente

se questa supera valori di sicurezza. Analogamente, il salvavita,

che rileva anche piccolissime variazioni della corrente,

interrompe il circuito ogni volta che interviene una variazione

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DETTAGLI
Esame: Fisica 2
Corso di laurea: Corso di laurea in ingegneria aerospaziale
SSD:
Università: Padova - Unipd
A.A.: 2010-2011

I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher melody_gio di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Fisica 2 e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Padova - Unipd o del prof Franco Simonetto.

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