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La corrente elettrica, Il verso della corrente, La corrente continua, I generatori di tensione, Il circuito elettrico, Connessione in serie e in paral

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La corrente elettrica: un conduttore è attraversato da una corrente elettrica quando al suo interno vi è una migrazione di particelle cariche. Perché questo accadda è necessario che dentro il conduttore siano in azione delle forze elettriche, in grado di mettere in le cariche. Nel conduttore percorso da una corrente deve quindi essere presente un campo elettrico. Ciò significa che al suo interno vi sono punti che si trovano a potenziali diversi. Se tutti i punti fossero allo stesso potenziale, il conduttore sarebbe in equilibrio e nessuna carica si sposterebbe in modo significativo. Possiamo allora dire che la corrente elettrica nasce da una differenza di potenziale. Consideriamo un conduttore a forma di cilindro e supponiamo che il punto A si trovi a un potenziale Va maggiore di quello Vb nel punto B: Va>Vb. In ogni punto interno al conduttore c’è un campo elettrico E (con sopra freccia con punta che indica destra) diretto nel verso che va dal punto A, a potenziale maggiore, al punto B, a potenziale più basso. Questo campo elettrico esercita una forza: F(con freccia)=E(con freccia)q su ogni particella di carica q che si trova in un punto qualunque all’interno del conduttore. Se la carica è positiva, la forza è diretta nello stesso verso del campo elettrico, se invece negativa, la forza avrà verso opposto. Si definisce intensità della corrente elettrica , i , il rapporto tra la quantità di carica ∆Q, che attraversa la sezione trasversale di un conduttore in un intervallo di tempo ∆t, e ∆t stesso: i=∆Q/∆t. ponendo in questa formula ∆t=1 sec, possiamo dire che l’ intensità i della corrente è numericamente uguale alla quantità di carica che attraversa una sezione trasversale di un conduttore nell’ unità di tempo. L’ intensità de4lla corrente è una grandezza scalare, e si misura in Ampere (A). in un conduttore passa la corrente di 1° quando attraverso una sua sezione trasversale transita una quantità di carica di 1C nell’ intervallo di tempo di 1sec: 1A=1C/1sec. L’ intensità della corrente elettrica si misura con l’ amperometro.



Il verso della corrente: si sceglie come verso della corrente elettrica quello in cui si muovono le cariche positive, cioè il verso che va da punti a potenziale alto a punti a potenziale basso. Si tratta semplicemente di una convenzione.

La corrente continua: la corrente elettrica può cambiare da istante a istante, qnd la sua intensità si mantiene costante nel tempo, si dice che la corrente è continua. In questo caso la quantità di carica ∆Q che attraversa una sezione trasversale del conduttore è direttamente proporzionale all’ intervallo di tempo ∆t. infatti ∆Q= i∆t dove i è una costante. Se al corrente è continua, la quantità di cariche che transita,in ogni secondo, attraverso una sezione trasversale del conduttore posto in quel punto rimane sempre la stessa.

I generatori di tensione: la corrente elettrica fluisce in un conduttore, e ai suoi capi esiste una differenza di potenziale. Non appena esso se, le cariche cessano di muoversi e il conduttore si trova in una situazione di equilibrio. Nel caso elettrico il generatore di tensione, che può essere x esempio, una pila, una batteria da auto, o la cosiddetta dinamo della bici. Esso serve x mantenere ai capi del conduttore la differenza di potenziale. In particolare chiamiamo generatore ideale di tensione un dispositivo capace di mantenere ai suoi capi una differenza di potenziale costante, per un tempo indeterminato e qualunque sia l’ intensità della corrente che lo attraversa. Supponiamo che nel conduttore collegato al generatore si muovano solo le cariche positive. Man mano che esse si spostano dal punto A, potenziale alto, al punto B a potenziale basso, la differenza di potenziale tende a diminuire. Per ricreare il dislivello elettrico, il generatore di tensione deve prelevare le cariche positive dal polo a potenziale più basso ( segno -) e trasportarle all’ altro polo (segno +) in modo da rimetterle in circolazione. All’ interno dei generatori agiscono delle forze che non sono di natura elettrostatica. Nelle pile e nelle batterie sono forze di origine chimica, mentre nella dinamo della bici sono forze magnetiche. Nei circuiti elettrici il generatore è rappresentato:

Il circuito elettrico: affinché in un conduttore passi una corrente continua, occorre inserirlo in un circuito del quale deve far parte un generatore di tensione. In generale un circuito elettrico è costituito da un insieme di conduttori connessi l’ uno all’ altro in modo continuo e collegati ai poli di un generatore. La corrente passa nei vari conduttori nel verso convenzionale, e all’ interno del generatore, nel verso che va dal polo negativo a quello positivo. Poiché il percorso della corrente è circolare, si dice che essa circola nel circuito. Il circuito più semplice è costituito da un filo di metallo collegato ai poli di un generatore. Affinché in un circuito passi una corrente continua è necessario che esso sia chiuso, se il circuito si interrompe la corrente non passa più, si dice allora che il circuito è aperto.

Connessione in serie e in parallelo: i collegamenti tra i componenti di un circuito, si riducono a 2 tipi fondamentali. Connessione in serie: 2 o più conduttori sono collegati in serie qnd sono risposti in successione, cioè uno di seguito all’altro. Ognuno di essi è attraversato dalla stessa corrente. E tutti gli apparecchi dovrebbero funzionare insieme. Connessione in parallelo: due o più conduttori sono invece collegati in parallelo quando hanno le prime estremità in comune tra loro e anche le seconde estremità in comune tra loro. Ai capi di ciascun conduttore collegato in parallelo è applicata la stessa differenza di potenziale. Mette in funzione solo apparecchi che si vuole utilizzare.

La prima legge di Ohm: Ai capi di ogni conduttore che fa parte di un circuito esiste una differenza di potenziale. La si può misurare con un voltmetro. La corrente la si può ricavare sperimentalmente applicando ad un determinato conduttore diverse differenze di potenziale e misurando le corrispondenti intensità di corrente. Su diagramma (y intensità di corrente x differenza di potenziale) curva. Durante l’ esperimento il conduttore deve essere tenuto in condizioni stabili di temperatura, pressione e ogni altra grandezza che può modificarne il comportamento elettrico. Per tutti i conduttori metallici e per le soluzioni di acidi, basi e Sali la curva di prima assume la forma di una retta che passa per l’ origine. Ciò significa che l’ intensità , i , è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale  ∆V. La relazione: i=∆V/R. dove R è una grandezza caratteristica del conduttore che dipende dalle condizioni in cui esso si trova. R esprime quindi la difficoltà che incontra la corrente nel fluire all’ interno del conduttore, e viene chiamata resistenza elettrica, e si misura in ohm (Ώ). 1 Ώ è la resistenza di un conduttore che è percorso da una corrente di intensità pari a 1° quando ai suoi estremi si applica una differenza di potenziale pari a 1V: 1 Ώ=1V/1A.



I resistori e le resistenze: si chiama resistore un conduttore che segue la prima legge di ohm ( es. filo rame o di alluminio). Poiché i resistori sono contraddistinti da un determinato valore della resistenza, spesso sono chiamati impropriamente resistenze. I resistori sono componenti fondamentali dei circuiti elettrici, e ciascuno di essi è rappresentato dal simbolo:

I conduttori ohmici in serie  e in parallelo: vi sono 2 tipi di circuito elettrico, in cui e un solo generatore di tensione, che sono semplici e comuni: resistenze in serie e resistenze in parallelo

Resistenze in serie: tre resistori in serie, le cui resistenze sono R1, R2, R3, il circuito è formato da una sola maglia e non contiene nodi per cui può essere risolto con una sola equazione. Se ∆V è la differenza di potenziale positiva mantenuta dal generatore e ∆V1 , ∆V2 ∆V3 sono i valori assoluti delle cadute di potenziale ai capi delle tre resistenze percorrendo il circuito in senso orario possiamo scrivere l’ equazione ∆V-∆V1 - ∆V2-∆V3=0. Indico con i la corrente incognita presente nel circuito per al prima legge di ohm: ∆V1=R1i e ∆V2=R2i e ∆V3=R3i così l’equazione precedente diventa:

V=(R1+R2+R3)i poi R= R1+R2+ . . .+Rn dove R si chiama resistenza equivalente delle resistenze che sono collegate in serie. Il circuito in cui le resistenze fisiche sono sostituite dalla loro resistenza equivalente è detto circuito equivalente del circuito dato.

Resistenze in parallelo: un circuito con un generatore che mantiene ai suoi estremi una differenza di potenziale ∆V e tre resistenze R1, R2, R3 collegate in parallelo. Abbiamo 4 correnti incognite la corrente i che attraversa il generatore e le correnti i1, i2, i3 che attraversano le tre resistenze.

La trasformazione dell’ energia elettrica

il passaggio della corrente elettrica è accomnato da scambi di energia che si verificano all’ interno dei conduttori, tra essi e con l’ambiente esterno. Tutti conduttori si riscaldano quando sono percorsi dalla corrente elettrica. A causa della temperatura elevata essi emettono energia nell’ ambiente mediante un passaggio di calore. Nei conduttori liquidi il passaggio della corrente può dar luogo anche a reazioni chimiche, dove c’è un assorbimento di energia, i conduttori gassosi percorsi dalla corrente elettrica emettono luce. Tutte queste trasformazioni di energia hanno origine nell’energia elettrica che il generatore fornisce alle cariche. L’ energia potenziale elettrica la possiedono le particelle cariche che si muovono all’ interno del generatore. Quando il generatore spinge al suo interno le cariche positive verso il polo a potenziale più alto, l’epe di queste cariche aumentano spese di un'altra forma di energia. Poi, mano a mano che esse fluiscono lungo il circuito esterno perdono la loro energia potenziale iniziale che si trasforma così in altre forme di energia. Diventa per esempio energia interna del conduttore solido che poi si trasforma in energia interna dell’ambiente.

La potenza elettrica: per calcolare quanta energia elettrica si trasforma ogni secondo in altre forme di energia, prendiamo in esame un conduttore percorso dalla corrente i, ai cui capi è applicata una differenza di potenziale ∆V, dove i portatori di carica siano positivi. Quando una carica ∆Q attraversa la differenza di potenziale tra gli estremi A e B del conduttore, le forze del campo elettrico compiono un lavoro positivo: W=∆Q(Va-Vb) poiché il conduttore è attraversato dalla corrente i, in ∆t secondi transita attraverso ogni sua sezione la carica ∆Q=i∆t dove ∆Q è quella che in ∆t entra in A ed esce in B. sostituendo: W= i∆t(Va-Vb). L’ energia potenziale elettrica non se ma si trasforma in altre forme di energia. La potenza elettrica sviluppata nel conduttore: P=i(Va-Vb). Se si tratta di un conduttore ohmico la formula diventa P=Ri2.



La conservazione dell’ energia:anche nei fenomeni elettrici è valido il principio della conservazione dell’energia: dove l’energia elettrica associata al passaggio della corrente è uguale alla somma dell’energia chimica, dell’energia luminosa e del calore che si sviluppa in un conduttore. Joule verificò qst equazione facendo passare un filo percorso dalla corrente elettrica in un recipiente pieni di acqua e ben isolato termicamente. Misurando la differenza di potenziale, la corrente e l’ intervallo di tempo in cui essa fluisce nel circuito, si calcola la quantità di energia elettrica che si trasforma in energia interna dell’ acqua. Misurando poi l’aumento di temperatura dell’acqua, si verifica che x far crescere di 1K la temperatura di 1Kq di acqua sono necessari 4186 j di energia elettrica.

Forza elettromotrice: le forze interne, non elettrostatiche, di un generatore compiono un lavoro W x trasportare una carica positiva q, contro al forza di repulsione elettrica, dal polo negativo a quello positivo del generatore stesso. La forza elettromotrice è allora data da: Fem=W/q. la forza elettromotrice non dipende dalla carica q e quindi è una quantità che caratterizza il generatore. In particolare è uguale alla differenza di potenziale mantenuta ai suoi estremi da un generatore nel quale non passa corrente: fem=W/q=∆U/q=∆V. la forza elettromotrice si misura in volt.(1V=1J/1C)

La resistenza interna: un generatore reale di tensione può essere schematizzato come un generatore ideale di tensione, la cui forza elettromotrice Fem è in serie con la resistenza interna r, dove ∆V=Ri, la diff di potenziale positiva pari a Fem: Fem-ri-Ri=0 da cui otteniamo i=Fem/R+r e si ricava ∆V=(R/R+r)Fem. Perciò la forza elettromotrice Fem di un generatore è maggiore della differenza di potenziale ∆V. le 2 grandezze sono uguali solo per r=0 oppure quando r tende all’infinito.

Effetto Joule: è spiegato dalla struttura interna dei metalli. Infatti un elettrone contenuto nel metallo è accelerato dal campo elettrico e acquista energia cinetica. In tempi molto brevi però l’elettrone interagisce con gli ioni positivi del reticolo cristallino, perdendo così gran parte dell’energia cinetica che aveva acquistato. L’ effetto combinato di tutte queste collisioni aumenta l’energia cinetica media del reticolo, cioè la sua temperatura.

Kilowattora: è l’energia assorbita o emessa nell’intervallo di tempo di un ora da un dispositivo che impiega o produce la potenza di 1kW.












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