Cos'è elettricità?

Per capire il funzionamento di motori elettrici, campanelli e radio è necessario capire cosa sia

l'elettricità. Capire cosa sia richiede la comprensione di una serie di concetti sottili e difficili, ad

esempio, come è fatto un atomo. L'elettricità è difficile da capire perché non si può vedere con gli

occhi, né toccare con le mani. Alcuni diranno: “Ma io ho preso la scossa, vedo una lampadina che

sia accende quando premo l'interruttore”. Questo è indubbio, ma voi non vedete l'elettricità; ne

percepite gli effetti.

In questo capitolo desidero che “vediate l'elettricità”. Per questo motivo, e a costo di risultare non

del tutto preciso, sono utilizzate nel testo diverse analogie tra i concetti che cerco di spiegare e

cose, oggetti che vediamo e possiamo toccare: palline, acqua, siringhe, miele (ognuno leggendo

potrebbe aggiungerne anche altre, non c'è limite all'immaginazione). Bando alle chiacchiere e

iniziamo ad avventurarci nel modo dell'elettricità: costruirete il vostro primo circuito.

Il mio primo circuito elettrico

Prendete una lampadina (del tipo di quelle che si utilizzano per i fanalini delle biciclette) e un tratto

di filo elettrico ricoperto da guaina isolante. Liberate le estremità del filo dalla guaina per un tratto

di circa 2-4 cm. Avvolgete un'estremità scoperta del filo attorno alla base della lampadina e fissatela

con del nastro isolante; fissate sempre con il nastro isolante l'altra estremità scoperta alla parte

segnata con un – di una comune pila con scritto sul corpo 1,5v (capirete poi cosa significa questo

numero). Ora toccate con la base della lampadina il bottoncino in alto della pila contrassegnato

dal segno +. La lampadina si accende anche se debolmente. Cosa sta succedendo?

Per intuire cosa stia succedendo il modo migliore è utilizzare un'analogia. Guardate la figura

successiva e pensate che il tubo pieno di palline sia il filo elettrico e la piccola ruota idraulica a

destra la lampadina. Le palline scivolano lungo il tubo, acquistano energia e vanno a sbattere

contro le palette della ruota idraulica che inizia a girare (lampadina si accende). In un circuito

elettrico queste Le palline si chiamano elettroni e il loro flusso viene chiamato corrente elettrica.

Nel resto del capitolo per indicare che gli elettroni si possono considerare come piccole palline li

chiameremo pallettroni. Nel disegno si vede anche una catena di omini che inizia sotto la ruota

idraulica e arriva all'imbocco del tubo. Il ruolo di questi omini è quello di far circolare, girare le

palline, prendendole sotto la ruota dopo che hanno esaurito la loro energia nell'impatto con le

palette e riportandole dentro il tubo perché il ciclo continui. A cosa corrisponde nel circuito

elettrico la catena di omini? Penso che nessuno si stupirà sentendo dire alla pila. Infatti la pila, in

un circuito elettrico, mette in movimento, spinge i pallettroni, ma non li crea. I pallettroni sono

dentro il filo. Se non ci fosse la pila a metterli in movimento tutti lungo una direzione se ne

starebbero fermi (o meglio si agiterebbe sul posto muovendosi a caso senza una direzione

specifica).

Circuito o non circuito

Stabilito che la pila mette in movimento, ma non crea, le palline-elettroni nel filo elettrico, si può

passare a comprendere meglio il concetto di circuito. Disegnate, come quelle in figura successiva,

una circonferenza chiusa e poi una aperta. Nel primo caso la linea è continua, nel secondo caso è

interrotta.

La circonferenza chiusa corrisponde al circuito elettrico chiuso: quello in cui la base della

lampadina tocca il bottoncino in alto della pila contrassegnato dal segno + e la lampadina si

accende. La circonferenza aperta al circuito elettrico aperto:. Non appena si stacca il filo dal polo

della pila il circuito si interrompe, i pallettroni non possono più circolare e la lampadina si

spegne. I pallettroni, in un circuito aperto, per poter fare tutto il giro dovrebbero saltare il tratto

vuoto giungendo dall'altra parte (come un ragazzino che salta dall'altra parte di un fosso pieno

d'acqua). I pallettroni però non riescono a saltare e perciò si fermano (il fosso è troppo grande da

saltare).

Adesso osserviamo meglio due componenti del circuito la lampadina e la pila.

Sempre riprendendo l'immagine delle palline che attraversano il circuito ci si può chiedere come

fanno i pallettroni ad attraversare la lampadina. La risposta più semplice è che c'è un filo metallico

che entra da una parte è esce dall'altra. Il disegno ci aiuta a capire meglio questo fatto.

Il percorso seguito dai pallettroni è stato disegnato con un tratto continuo supponendo che si

spostino nel verso indicato dalle piccole frecce bianche. Si vede che i pallettroni escono dal polo

negativo della pila, percorrono il filo di collegamento ed arrivano alla lampadina. Il punto di

contatto tra il filo e la lampadina e' rappresentato in questo caso dalla parte filettata, o torso,

indicata con A; il torso e' a sua volta collegato col filamento e così i pallettroni proseguono il loro

percorso, attraversando il filamento della lampada (B), che si accende ed uscendo dall'altro punto

di contatto, rappresentato dal bottone metallico situato sul fondo della lampadina, indicato con C.

Da qui i pallettroni, rientrano nella pila e inizia nuovamente il ciclo.

Esiste anche un filo che attraversa l'interno della batteria? Sempre avendo ben chiaro che la

batteria spinge, mette in movimento, ma non crea, i pallettroni si può immaginare che nella

batteria ci sia un filo che unisce il polo positivo o anodo (indicato con il segno +) e il polo negativo

o catodo (indicato con il segno -).

Dopo aver compreso gli elementi essenziali di un circuito, rendetelo ora più stabile aggiungendo

un semplice porta lampadine e un interruttore, fatto da voi.

L''interruttore

Prendete un blocchetto di legno e un fermaglio che sagomerete a S come in figura successiva.

Fissate, al blocchetto di legno, con una puntina da disegno un gomito della fermaglio a S, al quale

avrete avvolto l'estremità senza guaina del filo elettrico. Fissate un'altra puntina (alla quale avrete

avvolto un'estremità senza guaina di filo elettrico) in modo che, quando premete verso il basso il

gomito libero del fermaglio a S, esso tocchi la puntina (l'ideale sarebbe che quando smettete di

premere il fermaglio si stacchi dalla puntina; comunque, se anche non fosse così, nessuna paura lo

solleverete voi)

Il porta lampadine

Pretende un paio di pezzi di filo elettrico ai quali avrete tolto un tratto di guaina isolante alle

estremità (2-4 cm) e un comune fermaglio per tenere insieme i fogli. Aprite il fermaglio come in

figura (passi 1, 2). Avvolgete del nastro isolante su un gomito (passo 3). Questa parte del fermaglio

fa da base. Su questa base avvolgete la parte libera dalla guaina del filo elettrico (passo 4).

Attenzione: il filo elettrico deve essere perfettamente isolato dal metallo del fermaglio. Avvitate nel

gomito del fermaglio la lampadina in modo che la parte inferiore di essa venga a contatto con la

base del fermaglio (passo 5) e la parte laterale sia saldamente in contatto con la parte metallica del

fermaglio, attorno alla quale avrete avvolto l'altro capo del filo senza guaina (passo 5).

Il circuito integrato da questi nuovi componenti e che utilizza una pila con riportato il valore 4,5

v dovrebbe rassomigliare a quello dell'immagine successiva.

I circuiti nei disegni tecnici (quelli che si vedono nelle riviste specializzate) non sono disegnati nel

modo che in cui li avete visti fino ad ora; sono molto più stilizzati, ad ogni componente

corrisponde un immagine simbolica molto facile da disegnare.

Come disegnerebbe un elettricista il circuito precedente? Ecco a voi nella figura successiva il

disegno del circuito con l'interruttore aperto e con l'interruttore chiuso. (Ovviamente le scritte in

un disegno “tecnico” non ci sono, sono solo state messe in questo a fini didattici).

Dopo aver costruito il vostro primo circuito elettrico e conosciuto meglio alcuni elementi di esso, è

necessario introdurre alcune nuove parole che un elettricista chiama grandezze elettriche: cioè

l'intensità di corrente, la resistenza e la tensione di corrente.

L'intensità: l'Ampere

La corrente può essere immaginata come un un insieme di palline che scorrono in un tubo. Adesso

immaginate al posto delle palline e del tubo delle macchine che sfrecciano in un tunnel

autostradale. Dipingete attraverso la corsia una linea bianca. Mettetevi sul bordo della strada

all'altezza della linea e contate il numero di macchine che attraversano la linea in un certo

intervallo di tempo (ad esempio un'ora). Il conteggio fornirà una misura dell'intensità del traffico

automobilistico: ad es. cinquecento macchine all'ora. Con un metodo simile si misura l'intensità

della corrente elettrica come numero di pallettroni che attraversano la sezione di un filo in un

intervallo di tempo. L'intensità di corrente si misura in ampere (simbolo A) dal nome del fisico

francese André Marie Ampère (1775-1836).

Gli strumenti che si usano per misurare l'intensità di corrente si chiamano amperometro e

galvanometro (quest'ultimo, in forma rudimentale, ma funzionante sarà costruito nel prossimo

capitolo). In questo capitolo non userete nessuno dei due strumenti. Per capire i concetti rilevanti

riguardo l'intensità di corrente basta essere in grado di apprezzare se l'intensità aumenta o

diminuisce. Per fare questo potrete utilizzare una semplice lampadina, come quelle usate fino ad

ora, infatti se aumenta l'intensità di corrente nel circuito aumenta la luminosità della lampadina

(fa più luce), se diminuisce l'intensità di corrente la lampadina fa meno luce.

Per ora può bastare con l'intensità di corrente, avrete modo di approfondirne la conoscenza in

seguito, ora è il turno della resistenza.

La resistenza: l'Ohm

Considerate attentamente l'ultimo componente del circuito: il filo. Il filo che univa la lampadina

alla pila è fatto di rame avvolto da una guaina in plastica. E' importante che sia di rame e non di

cotone oppure di plastica?

Per rispondere a questa domanda sostituiamo il filo di rame con un bel filo di seta che potete

procurarvi in una merceria. Cosa succede? La lampadina funziona ancora? La risposta è no, la

lampadina si spegne.

Si potrebbe immaginare che i pallettroni non attraversino più il filo, come nel caso di un circuito

aperto. Se così stanno le cose, perché i pallettroni non riescono ad attraversare il filo: abbiamo pur

sempre costruito un circuito chiuso? Per rispondere a questa domanda si deve introdurre un

nuovo concetto: quello di resistenza .

Per intuire ciò che si intende per resistenza elettrica immaginate che due persone, più o meno in

forma allo stesso modo, facciano una gara insieme in riva al mare: uno corre sul bagnasciuga e

l'altro nell'acqua fino alle ginocchia. Vi sembrerebbe strano se vi dicessi che ha vinto quello che

corre sul bagnasciuga? Penso di no. Il secondo deve fare molta più fatica perché l'acqua offre

maggiore resistenza dell'aria, materiale che invece attraversa il primo.

Tornando al circuito elettrico i pallettroni si possono pensare come corridori che attraversano tubi

riempiti di diverse sostanze alcune offriranno una resistenza maggiore (come l'acqua per il

secondo corridore), altre minore (come l'aria per il primo corridore). Alcune potrebbero

raggiungere una resistenza così elevata che i pallettroni corridori non sono in grado nemmeno di

muoversi (sarebbe come se un terzo ipotetico corridore fosse incastrato in un blocco di cemento).

Il filo di rame può essere paragonato all'aria per il primo corridore (la resistenza è poca e le

palline-elettrone circolano nei fili), mentre quello di seta al blocco di cemento in cui è immerso il

nostro ipotetico terzo corridore (la resistenza è così elevata che i pallettroni non riescono a

muoversi, a circolare).

I diversi materiali si dividono in tre tipi: conduttori quando oppongono una debole resistenza al

passaggio dei pallettroni (es. rame)., isolanti quando invece si oppongono al passaggio dei

pallettroni (es. aria, legno, plastica, ceramica). Infine esistono i materiali semi-conduttori che

hanno una resistenza intermedia fra i conduttori e gli isolanti (es. silicio, germanio, selenio)

La resistenza si misura in ohm (simbolo Ω) dal nome del fisico tedesco George Simon Ohm

(1789-1854)

La lampadina può essere considerata una resistenza? E la pila? Si, tutti gli elementi del circuito

offrono una certa resistenza al passaggio dei pallettroni: anche la pila e la lampadina. Il valore

della resistenza di una pila al passaggio della corrente dipende da alcune caratteristiche tecniche

della pila (es. dimensione): in ogni caso la resistenza di una normale pila a secco si aggira attorno

a mezzo ohm: un valore molto basso che a fini pratici si può considerare trascurabile.

Al contrario della pila la resistenza della lampadina è significativa (attorno ai 60 ohm), come

avrete modo a breve di osservare. Ora però si deve considerare brevemente l'ultima importante

grandezza di un circuito elettrico: la tensione.

La tensione di corrente: il Volt

Su ogni pila che utilizzerete c'è scritto uno di questi numeri: 1,5, 4,5 o 9. Questi valori si chiamano

Volt in onore di Alessandro Volta (1945-1827) . Il volt è un'unità di misura che indica quanto

forte la pila è in grado di spingere i pallettroni nei fili. All'aumentare del numero aumenta la forza

di spinta della pila: Una pila da 4,5 volt spinge i pallettroni con una forza tre volte maggiore di

una da 1,5 e quella da 9 volt con una forza 6 volte maggiore. Capirete meglio cosa questo

significhi nei prossimi paragrafi.

L'elettricità sulla corda

A questo punto per chiarire alcuni aspetti e considerazioni sui diversi componenti di un circuito

elettrico sarà introdotta un'ulteriore analogia: quella di un circuito di corda. L'immagine

successiva rappresenta questa situazione: la persona a destra tira un lungo anello di corda, mentre

quella a sinistra rallenta lo scorrimento della corda stringendola fra le dita attorno (però non deve

stringerla fino al punto che la corda non scorra più: non è una gara di tiro alla corda). In termini

di circuito elettrico la batteria è rappresentata da chi tira la corda e la fa muovere, la corrente

elettrica è rappresentata dalla corda che si muove e la lampadina è rappresentata da chi tenendo

la corda rallenta lo scorrimento.

Sviluppando l'analogia si può dire che la corda non è generata dalla persona che la tira, è solo

messa in movimento da questa, così come i pallettroni non sono generati dalla pila, ma sono solo

messi in movimento da essa.

La quantità di corda che è nel circuito non viene generata da nulla ma nemmeno consumata, così

come in un circuito gli elettroni rimangono sempre nello stesso numero.

La persona che tiene la corda e prova a non farla scorrere sente in breve tempo calore sulle mani,

che può raggiungere una temperatura così elevata da scottare le mani. Allo stesso modo nella

lampadina lo scorrere dei pallettroni genera temperature elevatissime e luce.

Se si aggiunge un'ulteriore persona che si mette a tirare la corda aumenta la velocità con cui la

corda fa un giro completo, così come, aggiungendo, in un circuito elettrico un'ulteriore batteria

aumenta la velocità con cui gli elettroni percorrono il circuito, o detto altrimenti, l'intensità di

corrente.

Acqua ed elettricità: una storia di affinità elettive

Oltre allo scorrimento di palline in un tubo è possibile anche paragonare la corrente elettrica a un

fluido come l'acqua. L'idea è meno strana di quanto si possa pensare a prima vista. L'elettricità,

infatti, è data dal movimento di pallettroni in un filo metallico; lo scorrere dell'acqua può essere

immaginato come il movimento in una tubazione di piccolissime palline chiamate molecole di

acqua. Sfruttare l'analogia del flusso di acqua permetterà di capire molte caratteristiche del flusso

di pallettroni. Sembra sorprendente ma è vero.

Quando si considera l'acqua che scorre in una tubazione si deve tenere conto di tre grandezze: la

portata, la resistenza al passaggio dell'acqua e la pressione. Queste grandezze corrispondono, in

un circuito elettrico, rispettivamente all'intensità di corrente, alla resistenza elettrica e alla

tensione di corrente. Questa affermazione, per ora oscura, sarà compresa appieno

successivamente. Alcuni semplici esperimenti aiuteranno a capire il legame fra portata, resistenza

e pressione che caratterizzano lo scorrere dell'acqua in una tubazione.

Portata

Andate al lavello di casa e aprite il rubinetto dell'acqua. Cosa succede? Inizierà ad uscire un getto

di acqua e, se continuate ad aprire il rubinetto, il getto di acqua si farà più intenso. A questo getto

si dà il nome di flusso di acqua e si misura la sua intensità, chiamata portata, rapportando la

quantità di acqua che esce dal rubinetto al periodo di tempo in cui è uscita. Ad esempio, potete

mettere sotto il rubinetto una bottiglia di acqua vuota da un litro e mezzo e vedere in quanti

secondi si riempie (ad es. 10 secondi). Una misura dell'intensità del flusso sarà data dal valore di

1,5 litri ogni 10 secondi.

Resistenza al passaggio dell'acqua

Tornate al lavello di casa e aprite il rubinetto dell'acqua al massimo. Iniziate poi a chiudere

lentamente, ma continuamente, il rubinetto: il flusso di acqua si ridurrà progressivamente. Cosa

avete fatto chiudendo il rubinetto? Avete fisicamente ridotto la sezione del tubo (si veda

l'immagine di un rubinetto sezionato per capire questo punto) attraverso cui può uscire l'acqua: in

termini tecnici è stata introdotta una resistenza al passaggio dell'acqua. Resistenza è tutto ciò che

rallenta la portata del flusso di acqua.

Nell'immagine successiva al restringersi del diametro del tubo (cosa che succede anche

chiudendo un rubinetto) si restringe, aumenta la resistenza e la quantità di acqua che esce, a

parità di tempo, si riduce.

Un altro fattore riduce la portata (è, in altre parole, una resistenza): la lunghezza del tubo

attraverso cui passa l'acqua: Le goccioline che formano gli strati superficiali dell'acqua pompata

sotto pressione nel tubo, vengono trattenute da piccole irregolarità delle pareti, poi sfuggono, poi

vanno ad arrestarsi un po' più avanti e così via. Le altre goccioline che si muovono nella zona

centrale del tubo, urtano contro le goccioline più lente, o ferme, e devono spendere parte della

loro energia per vincere la loro resistenza. Alla fine della tubazione le goccioline ferme, o lente,

sono sempre di più, al punto che, se il tubo è molto lungo, l'acqua uscirà goccia a goccia. Questo

fenomeno si verifica nei tubi più stretti: i quali offrono una resistenza maggiore di quelli più

larghi.

La terza è ultima caratteristica che riduce la portata d'acqua che attraversa un tubo è il materiale

di cui è fatto il tubo o meglio la rugosità delle pareti del tubo. Quest'ultima è data da tutta una

serie di micro-imperfezioni che si presentano, sulle pareti interne del tubo, generalmente in forma

di solchi o scalfitture, di forma, profondità e direzione variabili. Ad una maggiore rugosità, a

parità di sezione del tubo e lunghezza, corrisponde una maggiore resistenza offerta al passaggio

dell'acqua e, di conseguenza, una minore portata. Un tubo fatto di calcestruzzo ha una portata

minore di un tubo, della stessa sezione e lunghezza, fatto di plastica ( o meglio PVC se vogliamo

essere più precisi).

Pressione dell'acqua

Prendete una bottiglia di plastica e facendo molta attenzione fate tre buchi con la punta di un

chiodo a diverse altezze. Mettete un tratto di nastro adesivo sui buchi. Ora riempite la bottiglia di

acqua. Togliete con uno strappo deciso il nastro adesivo e osservate i getti di acqua che escono.

Quale getto arriva più lontano e quale più vicino alla bottiglia? I getti più in basso raggiungono

una maggiore distanza, l'acqua viene spinta fuori con maggior forza, o più precisamente, con

maggiore pressione. Si può concludere che la pressione dipende dall'altezza del livello dell'acqua

nella bottiglia: più in basso il buco rispetto al pelo dell'acqua maggiore la gittata e, di conseguenza,

la pressione.

Adesso prendete una bottiglia di plastica vuota (da almeno un litro e mezzo) chiusa con il tappo.

Tagliate il fondo della bottiglia con una forbice e fate un foro nel tappo. Riempite per metà la

bottiglia, tenendo chiuso con il dito il foro nel tappo. Ora mettete sotto il tappo forato della

bottiglia un contenitore da mezzo litro. Togliete il dito: la bottiglia comincerà a svuotarsi. Contate

in quanti secondi si riempe il contenitore da mezzo litro.

Ora riempite al massimo la bottiglia e rifate ciò che avete fatto prima. Il contenitore da mezzo litro

si riempe in meno tempo, nello stesso tempo o in un tempo maggiore? Se fate tutto correttamente

il contenitore si riempirà più velocemente. Cosa si può dedurre da questo semplice esperimento.

Nel secondo caso si rileva una maggiore portata di acqua (esce dal foro più acqua nello stesso

tempo). Visto che l'unica differenza nei due casi è l'altezza del livello di partenza dell'acqua, risulta

abbastanza intuitivo pensare che la diversa portata dipenda da questo fattore. Come si è visto in

precedenza la pressione con la quale viene spinta fuori l'acqua dipende dall'altezza del livello di

partenza dell'acqua: più elevato è, maggiore risulta la pressione. Cosa si può concludere? Ad un

aumento della pressione, a parità di sezione del foro, aumenta la portata.

Le Leggi di Ohm

Le conoscenze appena acquisite studiando il flusso dell'acqua in una tubazione serviranno per

comprendere alcune importanti relazioni fra le tre grandezze di un circuito elettrico che abbiamo

conosciuto in precedenza: intensità di corrente (ampere) resistenza (ohm) elettrica e tensione

(volt). La cosa da tenere bene a mente è che in campo elettrico l'intensità di corrente corrisponde

alla portata dell'acqua, la resistenza elettrica alla resistenza idraulica e la tensione alla pressione

dell'acqua.

Per quanto riguarda la somiglianza fra intensità di corrente e portata è necessario spendere due

parole in più. Il flusso di pallettroni può essere considerato simile al flusso di molecole di acqua.

Essendo l'intensità dell'acqua il rapporto tra quantità di acqua deflussa ed il tempo impiegato nel

passaggio attraverso la sezione di un tubo, l'intensità elettrica sarà data dal rapporto fra numero di

pallettroni e il tempo impiegato nel passaggio attraverso la sezione di un conduttore.

Contare tutti i pallettroni porterebbe a cifre astronomiche difficilmente maneggiabili. Basti

pensare che una scintilla elettrica piccolissima è una scarica di miliardi di pallettroni. Analogo

discorso si può fare con l'acqua; nessuno calcola il numero di molecole d'acqua in una bottiglia,

per misurare la quantità di acqua si usa un'altra grandezza: il litro. Per l'elettricità la grandezza

che si utilizza nel calcolo dell'intensità non è il numero di pallettroni ma una quantità di gran

lunga superiore il coulomb che equivale a circa 6.000.000.000.000.000.000 di pallettroni. Così

come la portata di un tubo si misura in litri al secondo l'intensità si misura in coulomb al secondo.

Questa misura viene più spesso chiamata ampere (A). Un ampere è dato da 6x10E18 pallettroni

che in un secondo attraversano la sezione di un conduttore.

Il circuito elettrico costruito all'inizio del capitolo è molto simile ad un circuito idraulico. Si

immagini una pompa (batteria) che aspira l'acqua dal serbatoio inferiore per mandarla in quello

superiore. Da qui, attraverso un tubo, l'acqua cade sulle palette di una ruota idraulica (lampadina)

mettendola in movimento, poi superata la ruota, ritorna al serbatoio di partenza, dove

nuovamente viene aspirata dalla pompa e mandata al serbatoio superiore per ripetere il ciclo. La

pompa ha la funzione di innalzare l'acqua che cadrà con una pressione tanto più elevata sulle

palette della ruota quanto maggiore è l'altezza a cui è stata sollevata. La pompa non genera

l'acqua, ma la mette in movimento, così come la batteria in un circuito elettrico non genera i

pallettroni (che sono, come l'acqua, già dentro il sistema), ma li spinge, li mette in movimento nei

fili.

1^ Legge di Ohm

Gli esperimenti con l'acqua hanno condotto ai seguenti risultati:

• se si aumenta la pressione aumenta la portata dell'acqua;

• se aumenta la resistenza diminuisce la portata dell'acqua.

Un discorso simile può essere fatto per l'intensità della corrente elettrica: quest'ultima infatti

aumenta all'aumentare della tensione e diminuisce all'aumentare della resistenza elettrica.

Un esperimento con tre pile da 1,5 volt e una lampadina (sempre del tipo di quelle che si

utilizzano per i fanalini delle biciclette) permette di verificare che l'intensità della corrente

elettrica è influenzata positivamente dalla tensione.

Prendete la pila da 1,5 volt e attaccatela alla lampadina come nel circuito disegnato nella figura

successiva (fate attenzione che il tratto di filo elettrico che collega un polo della pila alla

lampadina abbia le estremità senza la guaina isolante per un centimetro). La lampadina si

illuminerà con una certa intensità.

Adesso prendete due pile da 1,5 volt e unitele saldamente con un po' di nastro isolante, facendo

attenzione che il polo positivo della prima pila sia a contatto con quello negativo della seconda

pila. Collegate, infine, i due poli liberi delle pile alla lampadina. L'intensità della luce varia? Sì, la

lampadina risulterà più luminosa.

Adesso prendete tre pile da 1,5 volt e unitele con un po' di nastro isolante (polo positivo della

prima pila a contatto con quello negativo della seconda pila, e il polo positivo della seconda pila a

contatto con quello negativo della terza pila). Collegate, infine, i due poli liberi delle tre pile alla

lampadina. L'intensità della luce varia? Sì, la lampadina risulta ancora più luminosa di prima.

Potreste continuare il giochino ancora per un po', ma penso abbiate afferrato l'idea. Le pile

collegate in questo modo spingono i pallettroni con una pressione prima doppia e poi tripla: si

passa da 1,5 a 3 3 e, infine, 4,5 volt (il valore dei volt delle pile unite come nell'esempio è dato

dalla somma dei valori dei volt delle singole pile). Ad un aumento dei volt aumenta anche

l'intensità di corrente e la luminosità della lampadina come effetto visibile.

Il collegamento di pile con polo positivo contro polo negativo, dell'esperimento precedente, si

chiama tecnicamente in serie ed è tipico dei porta-batterie dentro ai giocattoli e delle pile da 4,5

volt che sono costituite da 3 pile da 1,5 volt collegate fra loro (vedi figura).

Il prossimo esperimento mostra come l'intensità della corrente elettrica è influenzata

negativamente dalla resistenza. Potrete utilizzare una pila da 4,5 volt e tre lampadine piccole

(sempre quelle dei fanalini delle biciclette), sfruttando il fatto che anche le lampadine sono delle

resistenze (N.B. qualsiasi elemento del circuito offre una certa resistenza) e in quanto tali riducono

l'intensità di corrente che attraversa il conduttore.

I tre disegni, a, b e c mostrano situazioni in cui aumenta la resistenza interna al circuito: due

lampadine oppongono una resistenza doppia e tre lampadine una resistenza tripla rispetto ad una

singola lampadina (N.B. Le lampadine sono collegate da brevi tratti di filo con le estremità senza

la guaina di plastica). Ad un aumento della resistenza corrisponde una diminuzione dell'intensità

di corrente: la luce delle lampadine diventa sempre più debole.

a b c

Discorso inverso se si considera la sequenza delle figure da c ad a. La resistenza diminuisce e di

conseguenza aumenta l'intensità di corrente nel circuito: la luce delle lampadine diventa sempre

più forte.

Si immagini di togliere tutte le lampadine (figura successiva). Si verificherà un effetto spiazzante.

La resistenza del filo diventerà così bassa (resistenza del tratto di filo e della pila) e l'intensità di

corrente così elevata che il filo si riscalderà al punto di fondere e spezzarsi. A riprova di quanto

detto prendete un filo di rame smaltato sottilissimo, es. mezzo millimetro, e unite i due capi, dopo

aver raschiato via un po' di vernice agli estremi, ai due poli di una pila. Il filo si scalda sempre di

più e ad un certo punto si spezza. La ragione di questo effetto non è semplice da spiegare si può

comunque intuire con una similitudine.

Un asse di legno (il filo di rame) lunga una decina di metri è posta fra le finestre di due case una

di fronte all'altra e molto vicine, in modo che si possa passare da una casa all'altra camminando

sull'asse. All'inizio passa una persona alla volta (bassa intensità di corrente) e l'asse regge. Poi

passano contemporaneamente due persone alla volta, poi tre, e così via (aumentiamo l'intensità di

corrente). Ad un certo punto il numero di persone che sono contemporaneamente sull'asse

(intensità di corrente) sarà troppo elevato e l'asse si schianterà sotto l'eccessivo peso.

A questo punto dovrebbe esservi chiaro la relazione fra le tre grandezze di un circuito elettrico:

• se si aumenta la tensione aumenta l'intensità di corrente;

• se aumenta la resistenza diminuisce l'intensità di corrente;

In termini più precisi la relazione fra queste tre grandezze è data dalla seguente formula

(chiamata “prima legge di Ohm”):

Intensità di corrente=(Voltaggio/Resistenza)

dove l'intensità è misurata in ampere, la tensione in volt e la resistenza in ohm.

Utilizzando questa formula si può calcolare l'intensità di corrente del circuito costituito da una

lampadina (tipo fanalino da bicicletta) che offre una resistenza di 6 ohm e da una pila da 4,5 volt.

La resistenza offerta dalla pila e dal tratto di filo elettrico è così bassa da risultare irrilevante ai fini

del calcolo.

Il valore in ampere dell'intensità di corrente è uguale a circa 0,8 dato da 4,5 volt / 6 ohm.

2^ Legge di Ohm

Si considerino ancora i fattori che frenano la portata dell'acqua che scorre in un tubo. L'acqua

incontra una resistenza tanto maggiore quanto minore è il diametro del tubo stesso e quanto più

lungo è il tubo. In modo simile il flusso di pallettroni che attraversa un conduttore incontra una

resistenza elettrica, il cui valore dipende dalla sezione, dalla lunghezza del filo conduttore. In

particolare la resistenza è tanto minore (e, di conseguenza, l'intensità di corrente maggiore)

quanto più corto è il conduttore (b) e quanto maggiore è la sua sezione (c).

L'immagine successiva può essere utile per fissare nella memoria chiarire la relazione fra

lunghezza e resistenza e fra sezione e resistenza .

La resistenza di un conduttore elettrico, come quella di un tubo in cui scorre l'acqua, dipende

infine anche dal materiale di cui è fatto, non solo dalla sua lunghezza e sezione. Per indicare una

caratteristica fisica specifica di ciascun materiale legata alla resistenza si usa, nel caso dei tubi

idraulici, il termine rugosità, mentre nel caso dei fili elettrici quello di resistività.

Il rame, per esempio, ha una resistività minore del ferro e quindi e' più adatto a far passare la

corrente, mentre il nichel ha una resistività elevata, pari a circa sette-otto volte quella del rame. Si

osservi la figura successiva per avere un 'idea dell'effetto di fili elettrici fatti da materiali con

diversa resistività sulla diminuzione di intensità di corrente.

Ma che potenza!

Vi sarà forse capitato di vedere in montagna una cascata e di notare la “potenza” che sprigiona

quando giunge alla fine della caduta, riesce a generare nelle vicinanze un vento freddo carico di

minutissime goccioline d'acqua. La potenza dell'acqua in caduta è sfruttata fin dall'antichità per

far girare le pale di una ruota idraulica alla quale è collegata la macina di un mulino (immagine

mulino). È possibile affermare che una cascata è più potente di un'altra? Sì, l'acqua della cascata

più potente farà girare più velocemente una medesima ruota idraulica, le farà fare più giri in un

intervallo di tempo.

Una piccola ruota idraulica e alcuni semplici esperimenti sveleranno i fattori che influenzano la

potenza dell'acqua.

Le considerazioni sulla potenza dell'acqua aiuteranno le caratteristiche della potenza di un

circuito elettrico. Nell'analogia che verrà sviluppata la ruota idraulica corrisponde ad una

lampadina; la velocità con cui gira la ruota, alla luminosità della lampadina: ad un aumento della

potenza dell'acqua corrisponde una maggiore velocità della ruota (misurata in giri al minuto, ad

esempio) così come ad un aumento della potenza elettrica corrisponde una maggiore luminosità

della lampadina.

Prendete ora una piccola ruota di un mulino giocattolo di 10-15 centimetri di diametro. Se non

ne avete potete costruirvene una molto velocemente seguendo le istruzioni e guardando le

immagini. Prendere un coperchio di plastica con un diametro di cinque centimetri. Tracciate sei

linee equidistanti sul suo bordo. Tagliate queste righe vicino al bordo. Piegate le parti tagliate per

costruire le pale della ruota. Fate un foro al centro del coperchio e infilate nel foro un pezzo di

cannuccia per bere di circa 2 cm. Infilate all'interno della cannuccia uno stuzzicadenti per

spiedini. Ora la ruota idraulica è pronta per fare un paio di esperimenti illuminanti..

Più portata più potenza

Mettete la ruota del mulino giocattolo a circa dieci centimetri sotto un rubinetto di acqua chiuso e

poi aprite lentamente, ma con continuità, il rubinetto facendo cadere il getto d'acqua sulle palette

della ruota. Ad un certo punto la ruota giocattolo inizierà a a girare. Ora continuate ad aprire il

rubinetto fino al massimo consentito. La ruota girerà sempre più velocemente mano a mano che

aumenterà la portata.

Si può affermare che la velocità della ruota dipende dalla portata dell'acqua che esce dal

rubinetto.

Più pressione più potenza

Prendete la bottiglia di plastica vuota (da almeno un litro e mezzo) chiusa con il tappo di uno

degli esperimenti precedenti (quella con il fondo tagliato e con il foro nel tappo).

Riempite per metà la bottiglia, tenendo chiuso con il dito il foro nel tappo. Ora mettete

immediatamente sotto il tappo della bottiglia la ruota giocattolo. Togliete il dito: la bottiglia

comincerà a svuotarsi. La ruota giocattolo inizierà a a girare.

Ora riempite al massimo la bottiglia e rifate ciò che avete fatto prima. L'acqua uscirà con una

pressione maggiore e la ruota girerà più velocemente di prima. La maggiore velocità può essere

attribuita all'altezza maggiore del livello dell'acqua (unico fattore che è modificato

nell'esperimento): cioè alla maggiore pressione.

La potenza: una combinazione di pressione e portata

La combinazione di portata e dislivello viene chiamata potenza del flusso d'acqua. A livelli

maggiori di potenza corrisponde nel nostro esperimento una maggiore velocità della ruota (cioè

un maggior numero di giri al minuto). Per iniziare a far girare la ruota si dovrà pertanto

raggiungere un livello minimo di potenza. Sotto questo livello la ruota resterà immobile. Se poi la

ruota del mulino dovesse, a sua volta, mettere in moto un piccolo maglio oppure una piccola

officina giocattolo ad essa collegata, è facilmente intuibile che la potenza minima del flusso di

acqua dovrà essere maggiore di quella che serve per azionare la ruota non collegata a nessun

ulteriore congegno.

Per capire meglio la relazione che lega la potenza dell’acqua ( cioè la capacità di fare un certo

numero di giri in un intervallo di tempo alla ruota) alla pressione dell’acqua e alla portata

immaginatevi mentre fate una piacevole doccia, in un torrente, sotto una piccola cascata alta un

paio di metri. Immaginate che la stessa quantità di acqua vi cada addosso da un’altezza di venti

metri: la doccia non sarebbe più molto piacevole, sarebbe terribilmente dolorosa perché l’acqua

che vi colpisce possiede una potenza dieci volte maggiore.

Ora immaginate che l’acqua che vi cade sulla testa sia quella di una grandissima cascata (con una

portata dieci volte maggiore ad esempio) che cade da un’altezza di due metri: anche in questo

caso la doccia sarebbe dolorosa allo stesso modo della piccola cascata che cade da venti metri1.

Si può concludere (si vedano le immagini nella figure successive) che impiegando una grande

portata e una piccola pressione si ottiene una potenza media; la medesima potenza si può ottenere

impiegando una piccola portata, ma con alta pressione. La potenza massima si ottiene, come è

facile immaginare a questo punto, impiegando una grande portata e una pressione elevata. Con

portata e pressione piccola si ottiene una potenza piccola o di nessun conto.

1 Un'ulteriore analogia. Pensate ad un sasso lasciato cadere da una certa altezza su una lastra di vetro di qualche millimetro. La portata corrisponde alla grandezza del sasso e la pressione dall’altezza da cui lo lasciamo cadere (es. un centimetro, un metro, dieci metri). Se il sasso è piccolo (dieci grammi) è cade da un centimetro non farà nessun danno alla lastra, ma se cade da dieci metri sarà in grado di incrinerà la lastra. Un sasso grande (un kilogrammo) incrinerà la lastra già cadendo da mezzo centimetro, e la manderà in frantumi cadendo da dieci metri.

Potenza elettrica

Nel campo dell’elettricità la potenza non è altro che la velocità con la quale viene prodotta o

consumata l'energia elettrica ed è misurata in watt (W).

La definizione precedente pur essendo corretta non vuol dire un granché. Per capire qualcosa di

più di questa misteriosa grandezza il posto migliore dove andare è il supermarket, nella corsia

dove si vendono le lampadine domestiche. Guardate diverse confezioni: su alcune c'è scritto

lampadina da 24 watt, su altre da 60 watt oppure da 85 watt. L'indicazione del watt è il valore

della potenza elettrica che serve alla lampadina per funzionare (che corrisponde alla potenza

dell'acqua necessaria per far girare una ruota idraulica ad una certa velocità): maggiore il valore,

maggiore la potenza richiesta e consumata. Si può anche ipotizzare che ad una maggiore potenza

corrisponda una maggiore luminosità della lampadina: una lampadina da 85 watt fa più luce di

quella da 24 watt. Per confermare questa ipotesi non c'è bisogno di esperimenti: il produttore delle

lampadine viene in nostro aiuto scrivendo sulla confezione il valore dei lumen della lampadina:

Il lumen (simbolo: lm) non è altro che l'unità di misura della potenza luminosa: in parole povere,

ad un valore maggiore in lumen corrisponde una lampadina che “fa più luce”. Vi basterà poco per

controllare che una lampadina da 85 watt ha scritto un valore in lumen superiore ad una da 24

watt.

Riprendendo l'analogia della cascata per comprendere la potenza elettrica: ci basterà sostituire

alla “portata” “l'intensità di corrente” e “alla pressione dell'acqua la tensione elettrica.

La potenza dell'acqua aumentava all'aumentare della portata e della pressione di caduta

dell'acqua. Analogamente in un circuito elettrico la potenza elettrica aumenta all'aumentare

dell'intensità e della tensione. Risultati empirici hanno individuato la relazione fra queste

grandezze nella formula:

Potenza = Voltaggio x Intensità di corrente

o Watt =Volt x Ampere

Inoltre la stessa formula con pochi passaggi può essere trasformata per mettere in relazione la

potenza con l'intensità di corrente e la resistenza:

Potenza= Resistenza x (Intensità di corrente)2

cioè la potenza, a parità di resistenza, è proporzionale al quadrato dell'intensità. In altre parole se

l'intensità di corrente raddoppia la potenza quadruplica, se l'intensità di corrente triplica la

potenza diventa nove volte più elevata.

Per chiarire meglio quanto affermato, consideriamo una lampadina per fari di automobili e una

comune lampada per l'illuminazione casalinga. La prima è progettata per funzionare con la

batteria da 12 volt e oppone, al passaggio dei pallettroni, una resistenza di 3,64 Ohm; la seconda è

progettata per funzionare con corrente da a 220 volt e oppone una resistenza di 1.222 ohm. Pur

essendo diverse nella forma e nella tensione di funzionamento, le due lampade sono progettate per

assorbire la stessa potenza di 40 watt; infatti, la prima, collegata alla batteria dell'auto, assorbe una

corrente di 3,3A ampere, mentre la seconda, collegata alla presa da 220 volt, assorbe una corrente

di 0,18 ampere .

Calcoliamo la potenza nei due casi e con le due formule: per la lampada da auto abbiamo:

P = 12 x 3,3 = 39,6 watt; o 3,32 x 3,64=39,6 watt.

per la lampada di tipo domestico abbiamo:

P = 220 x 0,18 = 39,6 watt o 0,182 x 1.222=39,6 watt.

Tutti i dispositivi che funzionano con la corrente elettrica, sono chiamati utilizzatori. La nostra

casa e' piena di esempi di utilizzatori: frigorifero, lavatrice, asciugacapelli, televisione, stufe

elettriche, tutti i dispositivi di illuminazione (piantane, lampadari, ecc.) e tanti altri.

Tutti i dispositivi che abbiamo in casa sono caratterizzati da due dati: la potenza e la tensione.

Attualmente la tensione nelle nostre case ha il valore unificato di 220 volt. La potenza può variare,

anche di molto, da un apparecchio all'altro ed in ogni apparecchio elettrodomestico è sempre

presente una targhetta che indica la potenza massima assorbita. Prendete il ferro da stiro è leggete

il valore in watt scritto su di esso: il mio riporta 2.200 watt. Di seguito una tabella con valori medi

di alcuni apparecchi che teniamo in casa.

Elettrodomestico Potenza (Watt)

Scaldabagno elettrico 1.000Stufa elettrica 2.000Condizionatore 1.000Frigorifero 200Congelatore 200Illuminazione 60-100Lavatrice 2.000Lavastoviglie 2.000Televisione 100Forno elettrico 1.000Videoregistratore 80Computer 100HI-FI 30

Cosa succede se un apparecchio della nostra casa utilizza una potenza superiore a 3.000W

(3kW)? Sperimentatelo! Accendete, dopo il calar del sole, (il momento serve solo per rendere più

spettacolare l'effetto finale!) contemporaneamente il ferro da stiro e l'asciugacapelli. La loro

potenza totale assorbita dovrebbe superare i 3.000W: il mio ferro da stiro è da 2.200 W e

l'asciugacapelli è da 2.000 watt: cioè 4.200 W di potenza totale assorbita. Cosa succede quando li

accendo tutti e due contemporaneamente? Salta l'interruttore del quadro luce e resto al buio!

Perché? Non e' possibile in genere far funzionare in casa, contemporaneamente, utilizzatori di

potenza superiore a circa 3.000W: questa è la potenza massima tipicamente erogata dal gestore

dell'elettricità per le utenze domestiche.

Cosa succede se faccio funzionare un utilizzatore ad una potenza superiore a quella per la quale è

progettato. In casa non riusciamo a provarlo perché la tensione degli utilizzatori è costante e non

si può aumentare la potenza assorbita a piacere: superati i 3000W salta la corrente.

Per immaginare le conseguenze di una potenza troppo elevata pensate ancora alla potenza

dell'acqua che fa girare le pale di una ruota idraulica. Se l'acqua che si infrange contro le pale

avesse una potenza troppo elevata cosa succederebbe alla ruota? E' abbastanza facile immaginare

che si verifichino dei danni: ad esempio la rottura delle pale o una velocità così elevata della ruota

che farebbe schizzar fuori dal suo asse la ruota. Qualcosa di simile accade anche con gli

utilizzatori elettrici: una eccessiva potenza assorbita guasta l'utilizzatore. Un esperimento con una

lampadina dei fanalini della bicicletta servirà per capire questo punto.

Prima però alcune informazioni ulteriori sul funzionamento di una lampadina sono necessarie. La

lampadina dei fanalini delle biciclette fa parte della famiglia delle lampadine ad incandescenza e

può definirsi una strumento che converte energia elettrica in calore. Qualcuno di voi potrebbe

pensare: “ma io non uso la lampadina per scaldarmi, ma per illuminare una stanza”. Questo è

verissimo, ma è noto in fisica che quando un corpo raggiunge una determinata temperatura inizia

a brillare ed emettere luce oltre che calore. Se non ci credete prendete un ago con una pinza e

mettetelo sulla fiamma del gas. Dopo una manciata di secondi emetterà una bella luce rossa. Bene,

avete sperimentato che quando la temperatura di un corpo raggiunge circa i 600 gradi centigradi,

esso emette luce rossa e si dice che è “al calore rosso”. Se si accresce ulteriormente e

continuamente la temperatura il corpo emette nell'ordine luce arancione, gialla, blu, verde e

violetta, finché a circa 1500 gradi centigradi la luce sarà bianca e simile a quella solare (il corpo

ha raggiunto lo stadio del “calore bianco”).

Tornando alla nostra lampadina più elevata la temperatura che il filamento interno alla

lampadina raggiunge più la luce sarà bianca cioè simile a quella del sole. Per fare questo basta far

passare una certa quantità di pallettroni attraverso il filamento: cioè una certa intensità di

corrente e questo risultato può essere raggiunto aumentando la tensione ai terminali della

lampadina e/o diminuendo la resistenza (ricordiamo la prima legge di Ohm). Una cosa va però

considerata, è possibile aumentare la temperatura di un corpo indefinitamente aumentando

l'intensità della corrente che scorre in esso, ma ogni materiale ha un certo punto di fusione,

superato il quale, il filamento si spezza (come si è visto un esperimento precedente).

Nelle lampadine si utilizza il tungsteno che ha un'elevata temperatura di fusione.

Ogni lampadina è costruita in modo che si venga a trovare un punto di equilibrio fra durata che si

vuole ottenere e intensità di corrente che la attraversa. Sulle confezioni di lampadine è spesso

scritta la durata media in termini di ore di quel tipo di lampadina. Questo dato assieme ai valori

della potenza e della tensione (scritto sul bulbo delle lampadine) permette di calcolare l'intensità

di corrente del punto di equilibrio. Una lampadina domestica da 45 watt che funziona con una

tensione di 220 volt e che dura in media 1500 ore (circa 63 giorni) richiede che il filamento

venga attraversato da un'intensità di corrente pari a 0,2 ampere. Se la tensione di funzionamento

fosse ad esempio di 160 volt l'intensità di corrente che attraversa il filamento sarebbe minore, e di

conseguenza la sua temperatura sarebbe più bassa, cosicché la luce emessa risulterebbe rossastra.

La lampadina comunque avrebbe una durata media maggiore.

Se invece la tensione aumentasse a 300 volt la corrente che attraversa il filo sarebbe eccessiva, la

temperatura troppo alta, e la luce emessa molto brillante e chiara, simile a quella del sole; però la

vita media si abbasserebbe. Usando uno slogan potremmo dire: vita brillante ma breve oppure vita

più tranquilla ma lunga.

Per verificare concretamente quanto appena detto, prendete una lampadina di un fanalino della

bicicletta e collegatela, prima, ad una pila da 4,5 volt e poi da 9 volt. (Attenzione alla fine

dell'esperimento la lampadina sarà da buttare).

La lampada collegata alla pila da 9 volt fa una luce più vivida, più bianca e forte di quando è

collegata alla pila da 4,5 volt, ma dopo poche ore si brucia! Questo succede perché la lampada

assorbe una potenza superiore a quella per cui è progettata oppure, perché (è la stessa cosa detta

con altre parole) a causa della tensione troppo elevata, la lampadina è attraversata da un'intensità

di corrente più alta di quella che il filamento può sopportare senza distruggersi. Se la stessa

lampada fosse stata progettata per funzionare a 9 volt, il suo filamento sarebbe stato costruito con

filo più sottile e sarebbe stato più lungo, in modo da opporre una maggiore resistenza al fluire dei

pallettroni che cercano di passare sotto la spinta di una tensione più elevata.

Le rappresentazioni grafiche delle corrente

Negli esperimenti fin qui proposti sono sempre state utilizzate delle batterie. Finché la pila non “si

scarica” spinge i pallettroni sempre nella stessa direzione e con un valore praticamente costante:

un flusso di pallettroni con tali caratteristiche viene chiamato "corrente continua". La corrente

continua è generalmente rappresentata con il simbolo – oppure con le iniziali c.c. (corrente

continua). Considerando il circuito nella figura successiva è possibile immaginare che i

pallettroni vanno dal polo negativo a quello positivo della batteria2.

In ogni caso non va dimenticato che la corrente che si usa nelle abitazioni, per far funzionare gli

apparecchi domestici, non ha una direzione continua, i pallettroni non scorrono sempre nello

stesso verso.

Considerando la corrente prelevata dalle prese di casa si può immaginare che i pallettroni escano

da un foro della presa e rientrino in quell'altro (vedi figura: istante 1)3; subito dopo immaginiamo

che gli stessi pallettroni comincino ad uscire dal foro in cui prima entravano, per rientrare in

quello da cui prima uscivano (istante 2).

2 La direzione dei pallettroni da polo positivo a quello negativo è convenzionale, nella realtà la direzione dei pallettroni va dal polo negativo a quello positivo.

3 Il foro centrale della presa delle nostre case non viene considerato in questo esempio didattico, perché non dovrebbe essere attraversato, se non in caso di malfunzionamenti, da pallettroni, cioè da corrente elettrica.

Si supponga poi che, dopo un altro breve intervallo di tempo, la situazione si inverta ancora, e così

via all'infinito. Il flusso di pallettroni cambia direzione 100 volte al secondo. La corrente alternata

è indicata con il segno ~ o con le iniziali c.a. (corrente alternata). Per avere un'idea intuitiva di

questo andirivieni, supponete che con un marchingegno si possa variare costantemente e

regolarmente (diciamo 100 volte al secondo) di polarità il collegamento alla lampadina ai

terminali della batteria come nella figura successiva: si produrrebbe corrente alternata che va una

volta da sinistra a destra e una volta da destra a sinistra.

Il movimento dei pallettroni nei due tipi di corrente, continua e alternata, possono essere

visualizzati attraverso l'uso di grafici, la cui comprensione è necessaria per chiunque si avvicini

allo studio dell'elettricità in modo sistematico.

Per cercare di capire le caratteristiche di questi grafici risulta utile tornare a giocare con l'acqua.

Immaginate dell'acqua che scorre in una canaletta alla quale si applica un dispositivo costituito da

un indice che abbia fissato all'estremità inferiore una piastra immersa in acqua.

Scorrendo l'acqua preme sulla piastra. Quando l'acqua scorre da sinistra a destra l'indice si sposta

verso sinistra, mentre quando l'acqua proviene da destra l'indice si sposta verso destra.

Sull'indice della lancetta immaginate di collocare una matita che preme con la punta contro una

striscia di carta posta dietro il canale. Se la striscia di carta scorre con moto uniforme (in modo

regolare con velocità costante) dal basso verso l'alto, la matita disegnerà una linea che descrive il

moto dell'acqua. L'osservazione delle figure dovrebbe chiarire eventuali dubbi circa il dispositivo.

Corrente continua

Se l'acqua è ferma, la matita fissata sull'indice rimane ferma tracciando (figura successiva) una

linea verticale al centro della striscia di carta che si muove dal basso verso l'alto.

La linea retta al centro della striscia di carta è chiamata “linea di zero”, perché indica che in ogni

istante la corrente d'acqua è uguale a zero: cioè è ferma. Se invece l'acqua scorre da sinistra a

destra con portata costante la matita segna una linea retta verticale nella metà sinistra della

striscia di carta che si muove dal basso verso l'alto. Questa linea sarà perfettamente dritta solo se la

corrente d'acqua ha una portata costante uniforme.

Se, invece, la corrente scorre ora con maggiore ora con minore portata, la linea disegnata dalla

matita assomiglierà maggiormente alla linea della figura successiva, mostrando che la direzione

della corrente è sempre la stessa, ma che la sua portata è variabile.

Un discorso analogo a quello appena fatto si può riproporre nel caso che l'acqua scorra da destra

verso sinistra; in questo caso la linea si troverà sempre nella metà destra della striscia di carta.

A questo punto dovrebbe risultare chiaro che quando la matita traccia una linea totalmente

compresa in una sola delle due metà della striscia di carta, si tratta di corrente che scorre in un

solo senso e quindi di una “corrente continua”.

Tornando ai circuiti elettrici, i grafici della corrente elettrica mostrano gli stessi andamenti di

quelli della corrente d'acqua. Per comprenderli basta avere l'accortezza di sostituire al flusso

d'acqua, il flusso di pallettroni; alla canaletta, il filo elettrico; e alla portata, l'intensità di corrente.

A questo si aggiunga che ogni corrente che scorre da sinistra a destra (la linea è sopra la linea

zero di nessuna corrente) si definisce “negativa” (segno -) e (segno -) ogni corrente che scorre da

destra a sinistra (la linea è sotto la linea zero) si definisce “positiva”.

Di seguito alcuni grafici di correnti continue. In orizzontale è rappresentato il tempo, mentre

sull'asse verticale, a sinistra, si trovano i valori dell'intensità elettrica (ampère).

Il primo grafico descrive una corrente continua costante che attraversa un citcuito costituito da

una batteria e una lampadina. La corrente inizia sulla linea dello zero (nessuna corrente, i

terminali della pila non sono collegati ai poli della batteria); cresce molto rapidamente

raggiungendo il livello massimo (una volta che la lampadina è collegata ai poli della batteria),

continua a fluire con la stessa intensità (linea dritta) fino a quando si stacca la batteria e la

corrente scende a zero (nessuna corrente). L'intensità della corrente in ampere è mostrata dalla

distanza della curva dalla linea dello zero (nessuna corrente).

Nel grafico b è rappresentata una corrente continua che varia di intensità nel tempo. Il fatto che

sia una corrente continua si comprende perché la linea si trova sempre dalla stessa parte sopra la

linea di nessuna corrente.

Un ragionamento analogo vale anche per il caso c. Si tratta sempre di un grafico di una corrente

continua. In questo grafico è rappresentata una corrente di tipo pulsante. L'immagine dovrebbe

chiarire il perché di questo aggettivo.

Corrente alternata

Si riprenda il dispositivo idraulico e si pensi a che tipo di corrente d'acqua scorre nella canaletta se

la curva disegnata è per metà sopra e per metà sotto della linea dello zero incontriamo?

La curva che, come quella nella figura sottostante, è compresa in tutte e due le metà della striscia

di carta, si ha solo quando la corrente inverte continuamente e regolarmente la sua direzione, cioè

se scorre una volta in un senso e una volta nel senso opposto: la corrente è di tipo alternato.

Osservando in particolare la figura successiva, nell'istante A non circola nessuna corrente (acqua

ferma), infatti il punto A è sulla linea dello zero; subito dopo l'acqua comincia a circolare con

direzione positiva (+) raggiungendo nell'istante B il suo valore massimo; successivamente la

velocità dell'acqua diminuisce sino ad annullarsi nuovamente nell'istante C. Immediatamente

dopo l'acqua comincia a scorrere in senso contrario (direzione negativa -) fino raggiungere il

valore massimo negativo nel punto D, per poi diminuire gradatamente fino ad annullarsi

nuovamente nell'istante C (sulla linea di zero).

L'andamento di una corrente alternata delle nostre case può essere rappresentata da una curva

simile a quello dello scorrere dell'acqua nella canale una volta da sinistra a destra e una volta da

destra a sinistra, che inverte la sua direzione cento volte. Per i grafici delle correnti alternate

valgono le stesse considerazioni fatte per i grafici della corrente continua: sull'asse orizzontale si

trova il tempo, mentre sull'asse verticale, a sinistra, si trovano i valori dell'intensità elettrica

(ampere).

L'andamento delle correnti alternate viene usualmente rappresentato utilizzando sull'asse verticale

non i valori dell'intensità di corrente, ma quelli della tensione di corrente. E' una convenzione.

Non cambia l'andamento del grafico: infatti i valori della tensione non sono altro che i valori

dell'intensità di corrente moltiplicati per il valore di una costante (si ricordi la 1^ legge di Ohm:

cioè volt= ampere X ohm).

Nel grafico successivo, in orizzontale è rappresentato il tempo, con valori che vanno da 0 a 20

millisecondi, mentre sull'asse verticale, a sinistra, si trovano i valori della tensione elettrica.

A partire dal tempo 0, il valore della tensione cresce e, a 5 millisecondi dall'inizio, raggiunge un

valore massimo di 310 volt. La tensione comincia poi a scendere, ed arriva a zero quando sono

passati 10 millisecondi dall'inizio.

La tensione scende al di sotto del valore 0, per raggiungere nel punto più basso un valore di -310

volt. Il meno davanti al numero indica che, pur essendo la tensione di 310 volt come nella semi

onda positiva, la corrente scorre in senso contrario. La tensione riprende poi a salire e, a 20

millisecondi dall'inizio, torna a zero. Da questo momento ricomincia un altro ciclo, esattamente

uguale a quello appena visto. Questi cicli completi si ripetono 50 volte in un secondo, e con la

stessa successione di valori: per tale motivo, si dice che la corrente alternata ha una frequenza di

cinquanta cicli al secondo. I cicli al secondo hanno un nome preciso hertz dal fisico tedesco Hertz

(1857 – 1894). Si dice tecnicamente che la corrente alternata è una corrente di 50 hertz.

La corrente disponibile nelle prese delle nostre case è una corrente alternata: di conseguenza il

suo valore varia in continuazione, passando da zero a un massimo e invertendo il senso di

scorrimento. La tensione della rete domestica è indicata solitamente come "tensione a 220 volt". Se

osservate gli apparecchi domestici che funzionano con la corrente di rete riportano come tensione

di funzionamento il valore 220 volt. Nella realtà, però, la tensione raggiunge valori massimi di

310 volt? Perché allora si parla di 220 volt? Il valore, comunemente indicato, di 220 V si chiama

tecnicamente "valore efficace" ed è una specie di valore medio delle diverse tensioni. Ma come si

può misurare?

Tale valore può essere determinato in base al calore prodotto dal passaggio di corrente in una

stufetta elettrica4. Supponete, per esempio, di alimentare con la tensione alternata da 220 volt una

stufetta. Essa produrrà una certa quantità di calore, raggiungendo una certa temperatura. Staccate

la stessa stufetta dalla rete a corrente alternata ed alimentatela con diverse batterie che vanno da

100 volt a 300 volt. Utilizzate, prima, una batteria da 100 volt e misurate la temperatura che

raggiunge; poi una da 120 volt e misurate ancora la temperatura. Aumentando, poco alla volta, il

valore della tensione continua delle batterie. Nel momento in cui la temperatura prodotta dalla

stufa è la stessa che si otteneva con la corrente alternata, si è trovato il valore “efficace” che

corrisponde alla tensione continua della batteria utilizzata. In altre parole una stufetta collegata

4 Tecnicamente il calore, misurato in watt, è uguale al quadrato dell'intensità di corrente per al valore della resistenza in ohm e per il tempo di erogazione della corrente. Per questo motivo utilizziamo una stufetta che non è altro che una resistenza di valore noto.

ad una batteria da 220 volt produce una certa quantità di calore, raggiungendo una certa

temperatura uguale a quella prodotta dalla stufetta collegata alla presa di corrente domestica.

Un altro modo per stabilire il valore equivalente fra tensione della corrente continua e quella

alternata consiste nel valutare la luminosità di una lampadina. Una lampadina, collegata alla

presa domestica di 220 volt, fa la stessa luce che farebbe se collegata ad una batteria di 220 volt5

5 Esiste anche una formula che non coinvolge l'uso di stufette e lampadina. Basta conoscere il valore massimo della tensione e moltiplicarlo per 0,71. Nel caso della corrente domestica il valore massimo è 310 volt che moltiplicato per 0,71 è uguale a 220 volt. Lo stesso dicasi per il valore del valore degli ampere “efficaci”