CORSO DI FISICACORSO DI FISICA
Prof. Francesco Zampierihttp://digilander.libero.it/fedrojp/
CORRENTI ELETTRICHECORRENTI ELETTRICHE
LE CORRENTI LE CORRENTI ELETTRICHEELETTRICHE
MOTO DI CARICHE
Nel definire il potenziale abbiamo supposto di muovere le cariche dall’infinito
Quale condizione per il moto?
Deve esserci una FORZA MOTRICE = E
Creazione di E in una regione dello spazio
Creazione di una ddp V tra i punti dello spazio
Come creo questo collegamento?
LA PILA DI VOLTAA. Volta (1800)
Disco di Cu
Disco di Zn
Panno imbevuto di acido
I diversi metalli creano una DIVERSA CONCENTRAZIONE DELLE CARICHE
Possibilità di creare una DDP che DEVE essere associata ad un CAMPO EL.
+–
Rame: maggior concentrazione di elettroni (regione ove prevalgono cariche negative = POLO NEGATIVO
Zinco: minor concentrazione di elettroni (regione ove prevalgono cariche positive = POLO POSITIVO
In un acido la concentrazione delle cariche può agevolare il passaggio di elettroni
L’effetto è amplificato se uso più celle sovrapposte
GENERATORE DI TENSIONE (ddp)
Se collego un GENERATORE DI TENSIONE ad un conduttore e ad un UTILIZZATORE ho vari effetti
CIRCUITO CIRCUITO ELETTRICOELETTRICO
generatore
utilizzatore
Se l’utilizzatore è una lampadina, si accende!
SPIEGARE QUESTI
FENOMENI!
ELETTRODINAMICA studia il moto delle cariche soggette a E, ovvero a ddp
E
qF subita = q·E
Il moto avviene nella direzione del campo elettrico E (il verso dipende dal segno!)
Se E è uniforme, la carica subisce MOTO UNIF. ACCEL (perché soggetta a F costante)
MOTO DI CARICHE IN UN CONDUTTORE
Un conduttore metallico sottoposto a E
Gli elettroni di conduzione vengono sospinti dal campo elettrico creato dalla ddp ai capi.
Sezione di conduttore
Si crea un “fiume” di cariche negative che si muovono Si crea un “fiume” di cariche negative che si muovono CONTRARIAMENTE AL CAMPO ELETTRICO!CONTRARIAMENTE AL CAMPO ELETTRICO!
E
v
IL FIUME DI CARICHE
Lo spostamento delle cariche è analogo ad una corrente idraulica
PORTATA DI UN FIUME = m3 di acqua che in 1s fluiscono attraverso la SEZIONE S del fiume
Quale la portata del fiume di cariche?
LA CORRENTE ELETTRICALA CORRENTE ELETTRICA
“PORTATA” = quantità di carica che in 1s passa attraverso la sezione del conduttore
[I] = C/s = AMPERE (A)
1 A è la corrente che si genera quando 1C di carica fluisce in 1s attraverso la sezione del conduttore
t
qI
q
Circuito Circuito elettricoelettrico
Se ho una ddp V ai capi, essa mi farà fluire una certa corrente attraverso la sezione del conduttore
C.El.: da + a –, ma le cariche si spostano da – a +.
Per convenzione, il verso della corrente si assume SEMPRE COME IL CAMPO ELETTRICO
+ –
Verso di I
V
LE LEGGI DI OHM
ci dicono le MODALITA’ con cui la corrente fluisce in un circuito
LA PRIMA LEGGE
Ci dice come la ddp V ai capi influenza la corrente I che fluisce nel circuito
Se aumento V, come varia I?
C’è da pensare che una ddp maggiore è associata ad un E maggiore, quindi le cariche si muovono più velocemente I aumenta
Ma quale legge? Quale dipendenza?
Per alcuni conduttori la dipendenza tra I e V è LINEARELINEARE
V variabile (es. variando il numero delle pile inserite)
I misurata
Rapporto costante I/V = K
Che significato ha la costante K?
VKI
K è la costante di proporzionalità = PENDENZA DELLA RETTA
V
Aumento minore
Aumento maggiore
CONDUTTORE 1
CONDUTTORE 2
Tanto minore è l’aumento, quanto meno facilmente avviene la conduzione di I C’E’ MAGGIORE… RESISTENZARESISTENZA!!
Tanto maggiore è l’aumento, quanto più facilmente avviene la conduzione di I C’E’ MINORE… RESISTENZARESISTENZA!!
I
LA RESISTENZA ELETTRICALA RESISTENZA ELETTRICA
Definisco una nuova grandezza detta
RESISTENZA R del conduttore, tale che:
R misura la DIFFICOLTA’DIFFICOLTA’ da parte del conduttore a far passare I
RK
1
LA PRIMA LEGGE DI OHMLA PRIMA LEGGE DI OHM
Se I = K·V = 1/R ·V
V = R·IIn questa maniera, [R] = Volt / Ampere = OHM
Non tutti i conduttori la seguono, solo quelli OHMICI
INTERPRETAZIONE MICROSCOPICA DI INTERPRETAZIONE MICROSCOPICA DI RR
Microsc. una carica è ostacolata nel suo moto entro conduttore
1) Dalle altre cariche
2) Dai protoni dei nuclei
URTI dei portatori di corrente contro il reticolo cristallino del conduttore
DA COSA DIPENDE TALE DIFFICOLTA’?
1) Caratt.fisiche del conduttore (tipo e disposizione dei legami, dislocazione dei nuclei)
2) Lunghezza l del conduttore (l , R )
3) Sezione S del conduttore (S , R)
E’ misurata da R
SECONDA LEGGE DI OHM
= RESISTIVITA’del materiale (rende conto della dip. di R dal materiale e dalla sua T)
dipende da T
S
lR
Dipendenza di da T
Se T è alta, il materiale ha particelle con grande agitazione termica più difficile moto cariche all’interno e quindi deve aumentare
= 0(1+T)
difficoltà nel moto CAUSATA DA URTI fra le cariche e le particelle del materiale
URTO = DISSIPAZIONE DI ENERGIA (cfr. attrito!)
Ecin_0
Ecin_1 < Ecin_0
prima dopo
COSA IMPLICANO LE PERDITE DI ENERGIA?COSA IMPLICANO LE PERDITE DI ENERGIA?
Sezione cond.
DISSIPAZIONIDISSIPAZIONI
(U < 0)
Necessità di ripristinare continuamente ddp (un generatore SI SCARICA!)
EFFETTI TERMICIEFFETTI TERMICI (macroscopici) dovuti a URTI (microscopici)
EFFETTO JOULE DELLA CORRENTE
L’energia dissipata dalle cariche a causa degli urti, viene data alle particelle del conduttore
Sezione cond.
La carica perde energia
Le partic. del mezzo sono state urtate e hanno RICEVUTO ENERGIA
Le partic. del conduttore hanno ricevuto energia, incrementando U interna e quindi T
EFFETTO JOULEEFFETTO JOULE = effetto di riscaldamento di un conduttore percorso da corrente
Macrosc. è dato dagli urti microscopici tra cariche in moto e partic. del conduttore
Un conduttore attraversato da corrente subisce un incremento di T proporzionale alla sua resistenza R
Funzionamento di phon, stufe elettriche…
Per effetto Joule, alcuni conduttori, scaldandosi, EMETTONO ANCHE RADIAZIONE VISIBILE
Es. lampadina!
Come MISURARE le dissipazioni?
Calcolo il LAVORO DISSIPATO nell’attraversamento di un conduttore di resistenza R dalla corrente I
L = q·VSe ora divido per t, ho POTENZA
Ma q/t = I
t
Vq
t
LP
VIP
Se ora vale la prima legge di Ohm:
V = R·I
P = V·I
2IRP
E’ la potenza dissipata attraversando la resistenza R
Se poi conosco il tempo di attraversamento t, si ha:
L = P·t = RI2 t
Es. 1KWh = 3.600.000 J di energia elettrica in 1h di utilizzazione!
Conoscendo la potenza in kW di un elettrodomestico, se conosco il tempo di utilizzo, posso risalire al consumo in energia!
I CIRCUITI ELETTRICI
Si dice CIRCUITO ELETTRICO un insieme di:
•Corpi conduttori (fili)
•Generatori di tensione (pile, ecc..)
•Utilizzatori (lampadine)
•Elementi quali: condensatori, induttanze, ecc..
+ STRUMENTI DI LETTURA (Amperometri, Voltmetri)
LA RESISTENZA COME ELEMENTO DI LA RESISTENZA COME ELEMENTO DI UN CIRCUITOUN CIRCUITO
Ogni conduttore ha una RESISTENZA R che si può immaginare CONCENTRATA in un punto qualsivoglia del circuito
R
V
I
IL CIRCUITO OHMICOIL CIRCUITO OHMICO
Se vale la legge di Ohm, per la R attraversata, c’è una CADUTA DI TENSIONE AI CAPI
R
V
V = R·I I è la corrente che attraversa la resistenza
IL COLLEGAMENTO DELLE RESISTENZE
Allo scopo di CREARE DELLE CADUTE DI TENSIONE (es. lampadine che sopportano al max una certa Imax), si possono inserire altre resistenze in due modi:
R
IN SERIE ( una dopo l’altra) saranno attraversate dalla stessa I
IN PARALLELO causeranno la stessa caduta di tensione, ma sono attraversate da correnti diverse
RESISTENZE IN SERIE
R1R2
I
R1 e R2 sono attraversate dalla stessa corrente I
VTOT = V1 + V2
Posso pensare di sostituire le due resistenze con UN’UNICA RESISTENZA
DETTA EQUIVALENTE Req
Come dipende Req da R1 e R2?
Req è tale che V TOT = I·R eq
Ma se il salto di potenziale è la somma dei due salti dovuti a R1 e R2:
V TOT = R1 · I + R2 · I = I ·(R1 + R2)
ALLORA Req = R1 + R2
Se ho N resistenze, allora:
N
iieq RR
1
Req è sempre maggiore delle singole R!
RESISTENZE IN PARALLELOR1
R2
V
I1
I2
Ai capi c’è sempre la stessa ddp!
Posso pensare di sostituire le due resistenze con UN’UNICA RESISTENZA
DETTA EQUIVALENTE Req
Ovviamente Req sarà tale che: V TOT = I·Req
Ma I = I1+I2
11 R
VI
22 R
VI
eqR
VI
eqR
VI
R
V
R
V
21
21
111
RRReq
Come dipende Req da R1 e R2?
Req è sempre MINORE della più piccola
IL CONDENSATORE
Sistema formato da due conduttori (piastre o armature) su cui si deposita carica Q UGUALE MA DI SEGNO OPPOSTO (caricate x induzione)
+
+
+
+
++
–
–
–
–
–
––
E
Si instaura un c.el. UNIFORME
Es. condensatore piano
Q
Un condensatore serve per ACCUMULARE LE CARICHE in un circuito
Se accumulo una certa quantità di carica, creo un c.el. e quindi una certa ddp fra le armature
Si dim. che Q/V = cost = C
CAPACITA’ DEL CONDENSATORE
C dipende solo dalle caratteristiche geometriche del condensatore e dal mezzo interposto
[C]= C/V = FARAD F
IL CONDENSATORE come elemento di un circuito (il circuito RC)
R
V
C
Anche i condensatori possono essere collegati IN SERIE O IN PARALLELO!
CONDENSATORI IN SERIE
La carica che si deposita sulle armature è la stessa e vale Q
C1 C2
Il salto totale di potenziale vale V TOT = V1 + V2
Si può immaginare di sostituire i due
condensatori con un unico Ceq
Come dipende la capacità di Ceq da C1 e C2?
Ceq è tale che:
2121 C
Q
C
QVV
C
QV
eqTOT
21
111
CCCeq
CONDENSATORI IN PARALLELO
C1
C2
La carica che si deposita sulle armature è diversa: Q1 e Q2, con Qtot = Q1+Q2
Subiscono lo stesso salto di potenziale V
Si può immaginare di sostituire i due
condensatori con un unico Ceq
Ceq è tale che
VCQC
QV eqTOT
eq
TOT
Q1= V ·C1 e Q2= V ·C2
Q= Q1+Q2= V ·C1 + V ·C2= V ·(C1+C2)
Ceq = C1+C2
Come dipende la capacità di Ceq da C1 e C2?