LA CORRENTE ELETTRICA

Generatore elettrico e corrente

DV +

- e

Chiamiamo generatore elettrico un dispositivo capace di creare e mantenere una ddp (differenza di potenziale) costante tra due punti (detti anche poli) di un conduttore. Tipici generatori elettrici sono pile e batterie Quando un conduttore viene collegato a un polo di un generatore ne assume il potenziale.

Collegando tra loro i poli di un generatore per mezzo di un filo conduttore le cariche elettriche si mettono in movimento senza raggiungere mai l’equilibrio perche il generatore mantiene sempre una differenza di potenziale tra i poli. La ddp ai poli del generatore è detta anche forza elettromotrice (fem) poiché genera il flusso di corrente elettrica. Si definisce corrente elettrica un flusso continuo di cariche elettriche determinato da una differenza di potenziale creata da un generatore

La pila, o batteria La pila è un dispositivo che converte l’energia

prodotta in una reazione chimica in energia elettrica La pila contiene due zone separate: nell’anodo (polo negativo) avviene una reazione chimica detta di ossidazione che causa un rilascio di elettroni; nel catodo (polo positivo) si ha un processo di riduzione, che causa un’acquisizione di elettroni Quando i due poli vengono connessi da un filo conduttore si genera un flusso di elettroni da anodo a catodo, ovvero una corrente elettrica continua, il cui potenziale elettrico è fissato La pila si scarica quando queste reazioni chimiche si esauriscono raggiungono lo stato di equilibrio Generalmente le pile sono sistemi ad alta densità energetica, ma bassa potenza (si caricano e si scaricano molto lentamente) contrariamente ai condensatori che hanno meno energia elettrica accumulata ma molta potenza La prima pila fu realizzata da Volta nel 1799; essa consisteva in dischetti di rame e zinco alternati con un panno umido, secondo lo schema rame-zinco-umido-rame-zinco, impilati in una struttura verticale di legno

1801: Alessandro Volta (Como, 1745 – 1827)

illustra il funzionamento della pila a Napoleone

Prototipo originale della pila di Volta, conservata nel Tempio Voltiano di Como

La Pila Daniell In figura è mostrato lo schema della Pila Daniell (costruita nel 1836 da John Frederic Daniell) che rappresenta un’evoluzione rispetto al primo prototipo di Alessandro volta (1799) Nell’anodo vi è una barretta metallica di zinco (Zn) immersa in una soluzione di solfato di zinco (ZnSO4) Nel catodo vi è una barretta metallica di rame (Cu) immersa in solfato di rame (CuSO4) Anodo e catodo sono connessi da un ponte salino, ovvero un tubicino riempito da una soluzione di nitrato di potassio (KNO3) con dei tappi alle estremità permeabili a ioni e acqua

Alla chiusura del circuito, nel catodo gli ioni Cu2+ della soluzione acquisiscono 2 elettroni e si depositano come atomi Cu sulla barretta di rame Nel catodo gli atomi di zinco presenti sulla barretta perdono 2 elettroni, ed entrano in soluzione come ioni Zn2+

Per ristabilire la neutralità delle soluzioni, ioni potassio (K+) e nitrato

(NO3−) del ponte salino si spostano nel catodo e nell’anodo, rispettivamente

Il guadagno energetico complessivo delle due reazioni chimiche per carica unitaria trasferita da anodo a catodo è DV = 1.1 V, corrispondente al voltaggio della batteria

Consideriamo l’analogia tra la corrente elettrica e la corrente dell’acqua che esce da un rubinetto: affinché l’acqua esca, ci deve essere una differenza di pressione creata da una pompa o dovuta a un dislivello tra il serbatoio dell’acqua e il rubinetto; ovvero c’e una differenza di energia potenziale gravitazionale che spinge l’acqua ad uscire Analogamente, tra due punti di un circuito elettrico la carica elettrica può circolare con continuità e quindi creare una corrente solo se tra di essi viene mantenuta una differenza di potenziale elettrico

Corrente elettrica e corrente dell’acqua

Corrente elettrica come portata della conduttura

La portata corrisponde al volume di acqua che transita nella conduttura nel tempo unitario Analogamente, consideriamo il filo metallico che trasporta la corrente elettrica come una conduttura attraverso la quale fluisce la carica elettrica Definiamo intensità di corrente elettrica I come la quantità di carica che scorre attraverso il filo conduttore nell’unità di tempo:

t

QI

D

Generatore elettrico come pompa idraulica

Quando il liquido si trova allo stesso livello tra due recipienti comunicanti, l’acqua non fluisce; dobbiamo creare il dislivello con una pompa in modo il liquido circoli attraverso i recipienti. La ddp o forza elettromotrice della pila agisce proprio come una pompa idraulica: crea un dislivello di potenziale elettrico nel circuito in modo che la corrente elettrica possa fluire.

DV +

- e

L’Ampère L’unita di misura dell’intensità di corrente nel Sistema Internazionale è l’Ampere (A), dal nome dello scienziato francese A. M. Ampère. In un conduttore circola la corrente di 1 A quando attraverso una sezione del conduttore passa la carica di 1 C al secondo Analogamente, possiamo dire che il Coulomb è la quantità di carica elettrica che passa nel tempo di 1 s in un conduttore percorso da 1 A di corrente elettrica

As

C

t

QI 1

1

1

D

Esempi di amperaggio: una porta USB 2.0 eroga 0.5 A di corrente un caricatore per smartphone raggiunge 1 A, quelli per Tablet circa 2 A la corrente di picco erogata nelle abitazioni è di 16 A

Fisico, matematico, e chimico francese, André-Marie Ampère (1775-1836) rivelò precoce talento matematico e memoria straordinaria. Suo padre era un giudice e fu ghigliottinato nel 1793. Stabilì le relazioni tra elettricità e magnetismo

Verso della corrente

Per convenzione si e stabilito di considerare come verso convenzionale positivo della corrente elettrica quello delle cariche positive, ovvero il verso che va dal polo positivo a quello negativo In realtà, nei conduttori metallici sono gli elettroni che si muovono, e quindi vanno dal polo negativo al polo positivo

Quando in un circuito elettrico la corrente fluisce sempre nella stessa direzione si dice che è corrente continua. Le pile e le batterie sono generatori che producono corrente continua. Sugli apparecchi elettrici la corrente continua è indicata con la sigla DC (–), dall’inglese “direct current” In alcune situazioni (ad esempio nel caso di trasmissione di energia elettrica a distanza) è però più conveniente utilizzare la corrente alternata, indicata con la sigla AC (∼), ovvero “alternating current” La corrente AC ha la caratteristica di invertire periodicamente il verso. Per esempio la corrente che circola nella rete elettrica delle nostre case è alternata, ed inverte il verso di percorrenza da I=+16 A a I=-16 A per 50 volte al secondo, ovvero lavora a 50 Hertz di frequenza (negli USA la frequenza è 60 Hz)

Vantaggi della corrente alternata

In pratica la corrente continua è utilizzata soltanto dai dispositivi alimentati a batteria; per altri utilizzi si preferisce la corrente alternata La corrente alternata presenta alcuni importanti vantaggi rispetto a quella continua:

Si adatta meglio a meccanismi rotanti, quali generatori e motori elettrici basati sull’induzione magnetica Permette l’utilizzo del trasformatore, uno strumento estremamente importante nell’elettronica moderna; infatti il trasformatore funziona soltanto con la corrente AC, non con la corrente continua; la possibilità di utilizzare il trasformatore rende la corrente AC importantissima per la trasmissione di energia elettrica a distanza; ad esempio, la corrente proveniente dalle centrali elettriche che alimenta abitazioni, uffici, industrie, luoghi di lavoro è sempre corrente AC

La Resistenza elettrica Consideriamo due conduttori di uguale dimensione e forma ma diverso materiale, per esempio uno di rame e uno di grafite Se applichiamo una stessa DV ai capi dei due materiali, troveremo che l’intensità di corrente che li percorre è diversa: la corrente che circola nel rame è maggiore di quella che circola nella grafite. Il rapporto tra la differenza di potenziale applicata e l’intensità di corrente definisce una nuova grandezza, caratteristica di ciascun conduttore: la resistenza elettrica:

I

VR

D

La resistenza elettrica misura la resistenza di un materiale conduttore ad essere attraversato dalla corrente Benché conduttore, il materiale pone un ‘freno’ agli elettroni che lo attraversano; questo freno dipende dalle caratteristiche specifiche del materiale

La Resistenza elettrica

Per una data DV applicata agli estremi di un filo conduttore, la corrente elettrica che attraversa il conduttore è tanto maggiore quanto minore è la resistenza del materiale; ovvero, corrente e resistenza sono inversamente proporzionali La resistenza elettrica si misura in Ohm, indicata col simbolo W (omega), in onore del fisico tedesco G.S. Ohm Un filo conduttore ha resistenza di un Ohm se, sottoposto ad una differenza di potenziale di 1 V, è attraversato dalla corrente di 1 A

OhmAmpere

VoltR

Georg Simon Ohm (1787-1854). I suoi risultati furono inizialmente respinti dalla comunità scientifica. Visse in povertà fino al 1833 quando fu assunto al politecnico di Norimberga; nel 1853 divenne professore all’Università di Monaco.

IRVR

VI

I

VR D

D

D

Prima legge di Ohm La prima legge di Ohm dice che, a temperatura costante, la resistenza del conduttore è costante, ovvero non dipende dalla tensione DV ai capi del conduttore In pratica per misurare la resistenza di un filo conduttore si applica una DV ai capi del conduttore e si misura la corrente I; dal rapporto tra le misure si ottiene il valore della resistenza:

I

VR

D

La legge di Ohm vuol dire che ripetendo la

misura per tanti valori di DV diversi, il rapporto DV/I non cambia, per cui il valore di R è sempre lo stesso

Rame e grafite seguono la legge di Ohm: il rapporto tra I e DV è COSTANTE. La retta con la pendenza maggiore è quella con la resistenza minore

In realtà, più che una legge, quello di Ohm è un comportamento che

molti conduttori, ma non tutti, seguono I conduttori che obbediscono alla legge di Ohm sono detti ohmici; quelli che non seguono Ohm sono detti non-ohmici; ad esempio i diodi al silicio di cui sono zeppi i moderni circuiti microelettronici nei calcolatori, tablet, e smartphone sono non-ohmici

Seconda legge di Ohm Con i suoi esperimenti Ohm verifico che la resistenza elettrica di un conduttore dipende non soltanto dalla sostanza di cui è costituito il materiale, ma anche dalle sue caratteristiche geometriche; egli formulo quindi un’altra legge sperimentale nota come seconda legge di Ohm:

A

lR

La seconda legge di Ohm dice che la resistenza elettrica di un conduttore è direttamente proporzionale alla sua lunghezza (l) e inversamente proporzionale all’area (A) della sezione

l

A

Il fattore di proporzionalità (la lettera greca “rho”) si dice resistività; essa

dipende solo dalla sostanza del campione e dalla temperatura, ma non dalla sua forma o estensione. La resistività è dunque una grandezza intensiva, a differenza della resistenza che è estensiva

La resistività L’unità di misura della resistività è ohm per metro (Wm) La resistività rappresenta la resistenza di un conduttore di lunghezza e sezione unitarie I conduttori hanno piccola resistività, poiché gli elettroni di conduzione sono liberi di muoversi sotto l’azione del potenziale elettrico; per i collegamenti elettrici si usa il rame, che ha resistività molto bassa Gli isolanti hanno una resistività altissima, non avendo elettroni di conduzione I semiconduttori rappresentano una classe intermedia: come gli isolanti hanno gusci atomici pieni, ma gli elettroni più esterni possono occasionalmente abbandonare il guscio a causa dell’agitazione termica; infatti la loro resistività diminuisce con l’aumentare della temperatura

l

RA

Valori della resistività a T ambiente

Resistori in commercio In molte apparecchiature elettriche sono inseriti componenti che devono avere una ben determinata resistenza elettrica; questi prendono il nome di resistori, o semplicemente resistenze Per facilitare l’utilizzo di queste resistenze, esse sono vendute utilizzando un codice di colori standard che identificano le caratteristiche della resistenza. In genere sul resistore sono impresse quattro strisce colorate; i colori delle prime due indicano il valore della resistenza, la terza striscia indica l’esponente della potenza di 10, la quarta la tolleranza. Quindi, per esempio: verde (=5), blu (=6), arancio (3), oro (=5%) significa R=56x103 con tolleranza del 5%.

Origine microscopica della resistività

In realtà il moto degli elettroni all’interno della materiale NON è completamente libero: come in un fluido gli urti tra molecole causano una certa viscosità che riduce il flusso del liquido, così gli elettroni di

conduzioni ‘urtano’ con vari ostacoli nel loro percorso

Se si accende un campo elettrico all’interno di un conduttore, e se gli

elettroni fossero liberi di muoversi senza impedimento, gli elettroni dovrebbero subire un’accelerazione uniforme, come nel caso degli elettroni nel vuoto tra i piatti del condensatore, e dunque una velocità crescente nel tempo:

In pochi istanti la velocità degli elettroni nella direzione della forza elettrica diventerebbe altissima, a causa della piccolissima massa dell’elettrone; invece succede qualcosa di MOLTO DIVERSO: La velocità del flusso elettronico nella direzione del campo elettrico, detta velocità di deriva, vd , è costante, non aumenta nel tempo Inoltre vd è piccolissima: vd 10-6 m/s: vuol dire che in un ora gli elettroni si spostano di pochi millimetri, più lenti di una lumaca !! Perché il moto elettronico è così frenato all’interno del conduttore ? Da cosa origina, a livello microscopico, il fenomeno della resistenza elettrica?

tavEm

eE

m

qa

Origine microscopica della resistività Fino a temperature non troppo alte (tipicamente a temperatura ambiente), gli urti più importanti sono causati dalle vibrazioni atomiche: In assenza di campo elettrico, gli elettroni di conduzione che formano la gelatina elettronica non sono fermi: come api impazzite nell’alveare, essi si muovono a folle velocità in tutte le direzioni; ad esempio in un conduttore tipico come il rame (Cu) la velocità media di questi elettroni è altissima, ve 106 m/s = 1000 Km/s !! Durante questo moto erratico, gli elettroni urtano continuamente contro gli atomi che, vibrando attorno alle posizioni di equilibrio, ostacolano fortemente il flusso degli elettroni; più frequenti sono gli urti, maggiore è la resistività del materiale In presenza del campo elettrico, in assenza di urti l’elettrone accelerato dal campo aumenterebbe progressivamente la propria velocità e quindi l’energia cinetica; invece, velocità ed energia cinetica del flusso elettronico restano costanti: dove va a finire l’energia spesa dal campo elettrico ? Ogni volta che l’elettrone urta contro un atomo, esso cede energia cinetica al reticolo cristallino, provocando così un incremento della vibrazione reticolare e dunque un incremento della temperatura e dell’energia termica (calore) del cristallo L’energia elettrica spesa dal campo per generare il flusso elettronico attraverso il conduttore viene ceduta al reticolo cristallino sotto forma di energia termica (EFFETTO JOULE)

Origine microscopica della resistività In Figura, la traiettoria nera rappresenta il moto dell’elettrone SENZA campo, causato dall’energia cinetica dell’elettrone ed influenzato soltanto dalle collisioni, che cambiano continuamente la direzione del moto La traiettoria verde è quella seguita in presenza del campo: gli urti sono gli stessi ma tra un urto e l’altro le traiettorie sono leggermente spostate verso destra a causa dell’accelerazione dovuta al campo elettrico Dunque, lo spostamento effettivo dovuto al campo è soltanto quello relativo alla differenza tra B e B’: per unità di tempo questo spostamento rappresenta la velocità di deriva, ed è enormemente più piccolo della traiettoria reale percorsa dall’elettrone nello stesso tempo.

Dipendenza della resistività dalla temperature

Nei conduttori la resistività aumenta con la temperatura: in figura è riportato l’esempio della resistività del rame: con l’aumentare della temperatura, la resistività cresce Ciò avviene poiché con l’aumento di T aumentano l’ampiezza e la frequenza delle vibrazioni atomiche attorno alle posizioni di equilibrio, e dunque aumenta la frequenza degli urti tra atomi ed elettroni di conduzione

Nei semiconduttori il comportamento è opposto: la resistività diminuisce fortemente con la temperatura Ricordiamo che i semiconduttori non hanno elettroni di conduzione, ma una piccola frazione di elettroni di valenza può saltar fuori dal guscio atomico più esterno a causa dell’agitazione termica; dunque maggiore è la temperatura del cristallo, maggiore è la carica in grado di muoversi e quindi l’intensità della corrente elettrica generata dal campo applicato

Effetto Joule Nel passaggio di corrente attraverso il conduttore, il lavoro del campo elettrico speso per accelerare gli elettroni si trasmette agli atomi a causa degli urti, producendo un aumento di energia cinetica atomica e dunque un aumento di calore La trasformazione dell’energia elettrica in calore si dice effetto Joule. Il calore prodotto dalle correnti elettriche nei conduttori può essere dannoso o utile: nei motori elettrici l’energia dissipata in calore rappresenta un deprecabile spreco, mentre è utilmente sfruttata in tutti quei sistemi di riscaldamento basati sui resistori.

Motori elettrici: macchine che trasformano l’energia elettrica in energia meccanica (il rasoio elettrico, il trapano); hanno tutti una resistenza interna che genera calore, dunque energia persa rispetto al lavoro erogato dal generatore Resistori:conduttori con alta resistività utilizzati per la generazione di calore. Nelle stufe elettriche, le resistenze si scaldano al punto di diventare incandescenti ed emettere calore per irraggiamento. Nelle lampadine ad incandescenza, il filo incandescente emette una porzione di radiazione elettromagnetica nel visibile, così da permette l’illuminazione. Nel phon una resistenza scaldandosi emette aria calda. Altri esempi sono la caldaia, la lavastoviglie, la lavatrice, il bollitore

La Potenza dissipata: legge di Joule

Consideriamo una batteria (generatore) che genera una tensione DV ai capi di un generico resistore; il lavoro compiuto dal generatore per trasportare una carica q attraverso il resistore è:

Sia Dt il tempo impiegato dal campo a trasportare la carica q; la potenza del generatore è data dal rapporto tra lavoro fatto e tempo impiegato; dunque:

VqL D

t

Vq

t

LP

D

D

D

Ricordiamo adesso che il rapporto tra carica trasportata e tempo impiegato è uguale alla corrente elettrica I, per cui si ha:

VIP DDunque la potenza erogata dal generatore sul resistore è uguale al prodotto della corrente che attraversa il resistore per la differenza di potenziale del generatore

La Potenza dissipata: legge di Joule

Abbiamo visto che il lavoro del campo elettrico per generare corrente in un resistore è trasformato in calore a causa dell’effetto Joule Dunque nel circuito in figura il lavoro compiuto dalla pila è trasformato in calore ceduto alla bacchetta di rame Analogamente, possiamo dire che la potenza erogata dalla pila è equivalente alla potenza dissipata sul resistore La potenza dissipata può essere ottenuta dalla potenza erogata utilizzando la relazione:

Da cui si ottiene:

La potenza elettrica dissipata in calore su una resistenza R è uguale al prodotto della resistenza per il quadrato della corrente elettrica (LEGGE di JOULE)

IRV D

RIVIP 2D

RIP 2LEGGE di JOULE:

La potenza negli apparecchi elettrici Il funzionamento degli apparecchi elettrici è caratterizzato da 3 grandezze fondamentali: ddp, potenza, e corrente, legate dalle relazioni:

R

VRIVIP

22 D

D

Per un dispositivo elettrico in commercio si indica primariamente la potenza erogata per la ddp di lavoro (in italia 220 V) mentre la resistenza è fissata dalle caratteristiche dello strumento

Per esempio, un rasoio elettrico che lavora a ddp=220 V eroga una P=10 W; se però andiamo negli USA, dove la ddp nelle abitazioni è di 110 V, anche P è minore, essendo P=DV2/R (infatti un rasoio ‘italiano’ se usato in USA gira più lentamente)

Lo stesso vale per le lampadine a incandescenza, la cui potenza dichiarata presume una ddp=220 V; queste lampadine funzionano sulla base dell’effetto Joule: un filamento di metallo (tungsteno) attraversato da corrente elettrica raggiunge una T molto elevata (2700 K) così da diventare incandescente, ed emettere per irraggiamento onde elettromagnetiche luminose; soltanto il 5% dell'energia elettrica viene convertita in luce, il resto viene perso come calore. Come stabilito dalle direttive dell’Unione Europea, sono in fase di ritiro graduale dal commercio, per via della scarsissima efficienza energetica

La potenza elettrica è data dal prodotto dell’intensità di corrente per la tensione:

Dunque la stessa P può essere erogata da correnti elevate a bassa tensione, oppure basse correnti ad alta tensione

Trasporto dell’energia elettrica

Per ragioni di sicurezza è preferibile avere, sia nell’impianto di produzione (la centrale termoelettrica o idroelettrica), sia nel luogo di utilizzo (case, uffici) basse differenze di potenziale e alta intensità di corrente Di contro, se l’energia deve essere trasportata attraverso grandi distanze, per la legge di Joule è molto sconveniente avere alte correnti, poiché la potenza dissipata lungo il cavo dipende dal quadrato della corrente:

E’ conveniente quindi trasportare energia elettrica in forma di bassa corrente ma alta tensione Il problema è risolto mediante l’uso del trasformatore, uno strumento in grado di trasformare potenze elettriche di alta tensione e basso voltaggio in bassa tensione ed alto voltaggio, e viceversa: durante il lungo viaggio (spesso di varie centinaia di Km) dalla centrale elettrica alla città, una corrente di bassa intensità viaggia lungo i cavi dell’alta tensione (fino a 500 KV !) per poi essere trasformata negli edifici cittadini in corrente di 16 A a tensione molto più bassa (220 V)

VIP D

RIP 2

Effetto Joule: esercizi Esercizio 1: il calore in una resistenza. Una corrente di intensità 0.5 A passa per 60 s dentro una resistenza di 100 Ohm; quanto è il calore sviluppato?

JCVsAA

VQ 150060

4

110060)5.0(100 2

Esercizio 2: il phon. Un phon di potenza uguale a 2 KW è tenuto acceso per un’ora. Quanto lavoro compie in un’ora di utilizzo?

JsWtPL 6102.7)3600()2000( D

Il Kilowattora (KWh) è comunemente usato come unità di lavoro alternativa al Joule, e corrisponde al lavoro compiuto da un motore della potenza di 1 KW in un’ora:

JKWh 6106.31

tRIQt

QRIP D

D 22La potenza dissipata sul resistore è

Effetto Joule: esercizi

tRITMcQ DD 2

Esercizio 3: la lavatrice. Un conduttore di resistenza 100 Ohm è immerso in un recipiente che contiene 2 Kg d’acqua; nel conduttore passa una corrente di 1 A per mezz’ora. Calcoliamo l’aumento di temperatura dell’acqua (ipotizzando che non ci siano perdite di calore). Combinando la legge della calorimetria e legge di Joule si ha:

Mc

tRIT

DD

2

CCKgJKg

sA o

o5.21

)/4180()2(

)1800()1()100( 2

W

Il circuito elettrico Si chiama circuito elettrico un generico percorso chiuso in cui le cariche elettriche possono muoversi con continuità Esso à costituito da un insieme di componenti elettrici collegati tra loro mediante fili conduttori. I componenti possono essere soltanto due, come la pila e la lampadina presenti in una torcia elettrica, oppure milioni, come quelli, microscopici, all’interno di un computer.

Il componente fondamentale di un circuito è il generatore: esso e capace di mantenere una differenza di potenziale tra i due punti del circuito a cui e collegato. Le pile e le batterie, per esempio, sono generatori di differenza di potenziale continua e costante, con un polo positivo e uno negativo Molto spesso il generatore si trova nella parte del circuito che non possiamo vedere: per esempio, la corrente elettrica nel circuito delle nostre case viene generata da un impianto (centrale elettrica) che si trova di solito a grande distanza Altre caratteristiche di un generatore sono l’intensità di corrente massima che può erogare, e la potenza

Il circuito elettrico I circuiti elettrici reali possono essere anche molto complessi. Per descriverli si utilizzano gli schemi elettrici, in cui i vari componenti del circuito sono rappresentati con simboli, collegati tra loro da linee continue che rappresentano i fili elettrici L’esempio più semplice è un circuito con un generatore, un interruttore che apre e chiude il circuito, ed un utilizzatore. L’utilizzatore è qualunque dispositivo che per funzionare richiede corrente elettrica, come ad esempio una lampadina o un motore elettrico

I fili elettrici sono in genere di rame, isolati da una guaina di plastica; tipicamente essi hanno una resistenza molto piccola e quindi trascurabile rispetto a quella dell’utilizzatore; se incidentalmente si chiude il circuito con il solo generatore, senza che siano inseriti resistori o utilizzatori, si genera un cortocircuito: a causa della bassa resistività, il filo di rame viene attraversato da una corrente altissima che per effetto Joule

riscalda il filo fino ad incendiarlo; per prevenire questo pericolo si utilizzano i fusibili di protezione, piccoli elementi inseriti nel circuito costituiti da un conduttore a basso punto di fusione. Quando la corrente supera un certo valore, per esempio a causa di un cortocircuito, il fusibile fonde, interrompendo così il circuito ed evitando danni maggiori

Collegamento in serie e in parallelo Un collegamento si dice IN SERIE se gli utilizzatori sono posti in successione tra loro. Dunque in ognuno di essi scorre la stessa corrente, mentre la ddp prodotta dal generatore si ripartisce tra tutti i componenti. Se abbiamo tre lampadine uguali alimentate da una pila da 4.5 V, ai capi di ciascuna lampadina esiste una ddp di 1.5 V

4.5 V

1.5 V 1.5 V 1.5 V + + + - - -

Un collegamento si dice IN PARALLELO quando a tutti i componenti è applicata la stessa ddp. In questo caso tutti i componenti hanno entrambi i poli in comune e la corrente totale si distribuisce tra i componenti per poi riunirsi. Se le lampadine sono uguali, anche le 3 correnti saranno uguali

4.5 V

4.5 V

+

-

4.5 V 4.5 V

+ +

- -

I1

I2 I3

Collegamento in serie e in parallelo

Le lampadine dell’albero di Natale sono connesse in serie: se una si fulmina il circuito si apre: non passa più corrente e nessuna lampadina si illumina più.

Gli apparecchi elettrici di casa (luci, televisore, elettrodomestici) vengono connessi a prese elettriche differenti; in questo modo sono tutti connessi in parallelo: se uno smette di funzionare gli altri continuano a funzionare regolarmente

Misure nel circuito: voltmetro e amperometro

La ddp si misura col voltmetro; questo deve essere inserito in parallelo, collegando i poli del voltmetro ai capi del circuito tra i quali si vuole misurare la ddp

L’intensità della corrente si misura con l’amperometro. Questo deve essere inserito in serie con il tratto di circuito di cui si vuole misurare la corrente. L’amperometro deve essere attraversato dalla corrente che si vuole misurare, per cui si deve interrompere il circuito e inserire lo strumento

VD VD

VDVD

Misure nel circuito: voltmetro e amperometro

Come qualunque altro componente, anche amperometro e voltmetro hanno una loro resistenza. Questa resistenza non deve alterare il valore della resistenza da misurare, per cui l’amperometro collegato in serie, deve avere una resistenza piccola e trascurabile, mentre il voltmetro connesso in parallelo deve avere una resistenza più grande possibile. NON collegare un voltmetro in serie: la resistenza così grande impedirebbe alla corrente di scorrere; MAI usare un amperometro in parallelo: potrebbe causare un cortocircuito e bruciare il circuito elettrico.

Gli strumenti più diffusi sono chiamati multimetri o tester. Questi permettono misure di ddp, corrente e resistenza. Un multimetro presenta due poli, detti anche boccole o morsetti, i quali, per mezzo di appositi spinotti e cavi, devono essere collegati al circuito elettrico. Quando si misurano grandezze continue si deve rispettare la polarità dei morsetti. Per convenzione, il polo positivo viene collegato con il cavetto di colore rosso, quello negativo con il cavetto di colore nero.