Fisica sperimentale

CARICHE IN MOTO:

posso elettrizzare una bacchetta poiché le cariche si muovono.

Cos’è la corrente elettrica? È il moto ordinato delle cariche elettriche. Se si

muovono in modo ordinato NOTA BENE!!.

L’intensità della corrente elettrica è

∆Q

i= ∆t

La densità di corrente (j) si ottiene dividendo anche per la sezione del condotto:

∆Q

j= S∆t

Immaginiamo due serbatoi di acqua collegati con un condotto e se il livello di acqua in

A è più alto l’acqua fluisce attraverso il condotto fino al serbatoio B fino a quando i

livelli si mettono in equilibrio. Se c’è la stessa altezza non succede nulla. Se metto una

pallina in terra non può cadere, non c’è differenza di altezza. Dunque ci vuole una

differenza di potenziale per far muovere le cariche. Si ha dunque un cavo

elettrico di rame a cui è applicata una differenza di potenziale che genera un campo

elettrico e le cariche che stanno nel conduttore risentono di questo e dunque di una

forza che genera un’accelerazione e dunque un movimento. Si crea così una corrente.

Ci sarà un moto contrapposto di cariche, le cariche positive da una parte e quelle

negative dall’altra a seconda del segno del campo elettrico.

Si muovono gli elettroni poiché sono quelli liberi di muoversi, dunque si muovono

particelle negative. La forza di cui risentono è la forza di coulomb dovuta alla

differenza di potenziale e dunque al campo elettrico:

- Se delta q su delta t non cambia mai si ha una corrente continua che è generata

da un generatore

- Il generatore di corrente è capace di mantenere una differenza di potenziale ai

suoi lati costante

- Questa differenza di potenziale costante, a sua volta genera un camp elettrico

costante,

- il quale crea una forza costante e dunque un’accelerazione costante.

Un esempio è la pila. La corrente elettrica nelle case non è continua, ma alternata,

ovvero le cariche vanno avanti e indietro cinquanta volte al secondo.

Riassumendo:

1Ampere= 1Coulomb/1secondo

Ciò che fa muovere le cariche nel conduttore è la differenza di potenziale (una sorta di

energia potenziale associata al campo elettrico, dunque il lavoro che compie la forza

elettrica per spostare una carica di prova da un punto all’altro, il campo elettrico mi

permette di dividere per q ed essere indipendenti da esso).

Se c’è differenza di potenziale c’è campo elettrico. La forza di coulomb è quella

generata dalle cariche nello spazio. Dunque le cariche si muovono per la forza di

coulomb.

La corrente è continua quando le cariche stanno in moto in modo continuo e sempre

nello stesso verso. La pila viene chiamata generatore di corrente continua.

La corrente delle nostre case è alternata, le cariche cambiano verso di movimento 50

volte al secondo, infatti la sequenza è 50 hertz.

RESISTENZA E RESISTIVITA’:

il moto delle cariche subisce una resistenza a causa del mezzo. Si tratta della

resistenza elettrica perché influisce sulla corrente, sulla quantità di carica al secondo.

Misuro correnti diverse in base alla resistenza del materiale poiché il passaggio delle

cariche attraverso la materia è influenzato dalla materia stessa. La resistenza è una

caratteristica intrinseca del materiale.

Il passaggio di corrente attraverso il materiale è caratterizzato da alcune leggi, tra cui

la prima legge di ohm: la corrente che passa attraverso un materiale e la differenza

di potenziale è costante secondo una costante R, resistenza:

=R∗i

∆ V

Hanno misurato tale fenomeno e usciva una retta (Intensità= asse x, V= differenza

potenziale), l’hanno fatto con materiale diverso, ma hanno trovato sempre una

proporzionalità diretta.

Se si cambia la forma del materiale, cambia la R, aumenta con l’aumentare della

lunghezza, diminuisce all’aumentare della sezione.

A parità di materiale dunque, la lunghezza e la sezione cambiano la resistenza

elettrica, intuitivamente si può pensare che quanto più è lungo il conduttore tanti più

urti e ostacoli trova l’elettrone ad attraversarlo tutto.

Seconda legge di ohm:

c’è una costante che caratterizza questo fenomeno ed è intrinseca di ogni materiale e

la resistenza è in funzione di essa.

L

R= ρ s

Rho è la costante fenomenologica (rilevata sperimentalmente) che caratterizza

l’interazione del materiale con il passaggio della corrente. Si misura in ohm per metri

(lo si ricava dalla formula).

La resistività dell’argento, rame, alluminio, ferro, tungsteno è nell’ordine di 10 alla

meno otto. Il vetro va da 10 alla 10 alla 14 che è un non conduttore.

La resistività ha una certa dipendenza anche dalla temperatura: non imparare

l’equazione, però sai che dipende dalla temperatura perché la temperatura genera

agitazione termica delle particelle, può generare una corrente più alta a parità della

differenza di potenziale.

C’è una certa corrente dovuta a una differenza di potenziale, dunque c’è un campo

elettrico, dunque una forza.

Per una certa classe di conduttori che chiamiamo ohmici (perché valgono le leggi di

conducibilità

ohm) possiamo pensare alla , ovvero quanto il materiale aiuta il

passaggio della corrente e vale 1/resistività.

1

=

σ ρ

Da cui si ricava che la densità di corrente è proporzionale al campo elettrico secondo

la costante che è proprio la conducibilità.

⃗ ⃗

j=σ E

Si ricava la seconda legge di ohm, sostituendo la densità di corrente (j=i/s) e la

conducibilità nella corrente.

Questo vale solo per i conduttori ohmici.

Grafici: la pendenza della retta è proprio R.

Esistono anche conduttori non ohmici, ovvero do differenza di potenziale e per un

certo intervallo non c’è passaggio di corrente, si comportano come isolanti dunque,

quando inizia a passare corrente il fenomeno non è più lineare, sembra parabolico:

all’aumentare della differenza di potenziale la corrente aumenta sempre di più.

I semiconduttori e superconduttori non seguono la legge di ohm, hanno

proprietà diverse perché la loro struttura interna resiste e conduce in modo diverso.

Quello che ci porta la corrente a casa è il conduttore ohmico, dunque sfruttiamo le

leggi di ohm. I superconduttori si usano per applicazioni che richiedono tanta corrente.

RESISTENZA IN SERIE:

la corrente passa attraverso R1 e poi in serie attraverso R2. Dunque la corrente di

ciascuna di esse ha la stessa intensità di quella corrente che esce da R1 entra in R2.

L’intensità di corrente che passa tra le due resistenze è la stessa e la differenza di

potenziali ai capi di R1 e R2 sono tali per cui la somma è uguale alla differenza totale

del circuito.

+∆ =∆

∆ V V V

1 2

Ma com’è allora la resistenza totale del circuito? Che R vede? È uguale alla

equivalente

somma delle due resistenze.

n

∑

=

R R

eq i

i=1

La corrente finale che misuro dunque è dato da

∆V

i= R e

RESISTENZE IN PARALLELO:

non vedono la stessa corrente, ma la stessa differenza di potenziale. Quello che

rimane uguale non è i, ma delta V.

+i =i

i 1 2

La corrente più grande sarà nel ramo del circuito con la resistenza più piccola siccome

vale ohm.

L’inverso della resistenza equivalente del circuito corrisponde alla somma degli

inversi.

1 1 1

= +

R R R

e 1 2

L’opposto dei condensatori in serie e in parallelo.



L’energia associata alla corrente:

la corrente è così utile poiché può essere trasformata in altre forme di energia come la

luce e il calore. Un corpo quando si scalda emette radiazioni visibili. Il rendimento è

quanta energia possiamo sfruttare con i dispositivi che abbiamo. Il rendimento di una

lampadina comune è piuttosto basso: appena il 5%, il resto dell’energia è dissipata

come calore.

La potenza elettrica:

quanta energia elettrica si trasforma ogni secondo in altre forme di energia?

L

P= ∆t

Slide 14, si ricava che la potenza è la corrente per la differenza di potenziale:

P=i ∆ V

ma siccome vale anche ohm che mi dice che la differenza di potenziale e la corrente

sono correlate attraverso la resistenza si ottiene:

2

P=R i

La potenza si misura in watt.



Quando un generatore trasferisce una certa carica elettrica attraverso una certa ddp

compie un lavoro:

L=∆ q ∆ V

Tale lavoro si identifica con l’energia potenziale U fornita dal generatore per far girare

la corrente. Questa U del generatore deriva da altre energie, se è una pila da processi

chimici interni alla pila. Dove va a finire questa energia? Diventa altre forme di

energie in base a come è fatto il circuito, energia meccanica, chimica, o di calore, o di

luce a seconda dell’oggetto attaccato al circuito.

Quando il circuito è interamente ohmico, ovvero materiali che rispettano la legge di

ohm tutta l’energia assorbita si rispecchia in calore e dunque anche in luce. Questo

fenomeno si chiama effetto joule e ci dice che il passaggio di corrente elettrica

attraverso un conduttore è accompagnato dallo sviluppo di calore.

L’energia potenziale è data da

2

U=R i t

2

P=R i

Il kilowat ora è un’unità di misura di uso pratico e comune, ma non

 internazionale e esprime i consumi di energia elettrica, non la potenza.

Nel sistema internazionale sarebbero joule. Si esprimono in kilowatt ora poiché è

l’energia assorbita in un’ora in un dispositivo che è potente un kiloWatt. Ma come si

converte un kilowatt ora in joule? 1 Kw=10 J/S, al posto di un’ora metto 3600 secondi.

3

Invece del joule si può esprimere anche in caloria, ovvero se considero questa U come

calore Q. La caloria è un’unità tipica di uso comune. Siccome U è uguale a Q, anche il

calore dipende da R, dunque è direttamente proporzionale alla resistenza.

DIPOLO ELETTRICO:

Fin qui il passaggio di corrente era attraverso un conduttore solido, ora vediamo nei

liquidi.

Nei liquidi si ha il DIPOLO ELETTRICO, dipende che liquidi però. Se una molecola fatta

in modo di avere una carica positiva e negativa a distanza fissa, si chiamano dipoli, un

polo più e un polo meno.

Nell’acqua ci sono due poli, uno negativo e uno positivo e tra i due c’è un angolo di