Tre grandezze importanti - Istituto Comprensivo Castellalto

Tre grandezze importanti
In un circuito elettrico sono presenti tre grandezze principali, meglio conosciute con le
rispettive unità di misura: gli ampere (A), i volt (V), gli ohm (D). Queste grandezze sono
legate tra loro.
La differenza di potenziale o tensione elettrica
Per chiarire il concetto di forza elettromotrice ricorriamo all'esempio di un circuito
idraulico: un circuito elettrico assomiglia ad un circuito idraulico, e da esso partiremo
per spiegare il funzionamento della corrente. Immaginiamo di avere due recipienti
vuoti collegati tra di loro attraverso un tubo uscente dal loro fondo e munito di una
valvola che inizialmente é chiusa ed impedisce la comunicazione tra i due recipienti.
Versiamo poi in uno di essi dell'acqua fino a riempirlo completamente ed apriamo
quindi la valvola. L'acqua scorrerà nel tubo dal recipiente pieno a quello vuoto a causa
dell'energia potenziale (peso) posseduta e tale flusso continuerà finché il suo livello
non sarà lo stesso nei due recipienti, cioè fino a quando ci sarà una differenza di
energia potenziale tra le masse d'acqua. Il dislivello tende ad annullarsi a causa del
flusso della corrente d’acqua. Inseriamo adesso una pompa, che avrà l’effetto di
mantenere la differenza di livello tra i due recipienti. Se ora, ritornando al campo
elettrico, sostituiamo il recipiente ed il tubo con un conduttore e l'acqua con le cariche
elettriche potremo meglio comprendere il concetto di differenza di potenziale.
Il circuito elettrico funziona in modo analogo a quello idraulico. La corrente elettrica,
che consiste in un movimento di elettroni, scorre dentro il filo conduttore perché ai uoi
capi A e B c'è un «dislivello elettrico», o per essere più precisi, una tensione elettrica.
La dinamo, che viene tenuta in rotazione, mantiene il dislivello elettrico ai capi del filo,
cioè ha la stessa funzione della pompa nel circuito idraulico. Gli elettroni si spostano
naturalmente dal polo in cui sono presenti in maggiore quantità (-), a quello in cui ve
ne sono meno (+). La dinamo provvede poi a riportarli dal polo positivo a quello
negativo, in modo che possano rifare il giro del circuito. Il flusso di elettroni della
corrente elettrica, come abbiamo visto, si ha soltanto se tra le estremità del conduttore
esiste quella che si definisce una differenza di potenziale elettrico o tensione. Quanto
più grande è la differenza di potenziale agli estremi di un conduttore, tanto maggiore è
la quantità di corrente che lo attraversa. E la differenza di potenziale sarà tanto
maggiore quanto maggiore sarà la forza che spinge gli elettroni. Questa forza si chiama
tensione elettrica e si misura con il voltmetro. La sua unità di misura è il volt (simbolo
V), il cui nome deriva da quello del famoso fisico italiano Alessandro Volta (1745-1827).
L’ intensità di corrente elettrica
Immaginiamo di essere sul bordo di un'autostrada per misurare l'intensità del traffico
in quel punto: usando come traguardo una linea immaginaria, trasversale alla corsia,
conteremo il numero di autoveicoli che la oltrepassano in un certo intervallo di tempo.
Con lo stesso metodo possiamo misurare l'intensità della corrente elettrica, che
consiste nello spostamento di elettroni liberi all'interno di un circuito. Come la
quantità d'acqua che nell’unità di tempo attraversa una sezione di un tubo si chiama
«portata» e si misura in metricubi (m3), e la portata d’acqua aumenta in relazione alla
sezione del tubo e al dislivello ai capi del tubo, cosi la quantità di elettroni che nello
stesso tempo attraversa una sezione di un conduttore si definisce intensità della
corrente elettrica se la quantità di corrente si esprime in coulomb ed il tempo in
secondi.
Intensità di corrente elettrica = quantità di elettricità/tempo
L’unità di misura della intensità di corrente elettrica è l’ ampere (simbolo A), dal nome
del fisico francese André Marie Ampère (1775-1836) e si misura con gli amperometri e,
per piccole intensità, con i galvanometri.
La resistenza elettrica
Abbiamo visto che la corrente scorre per effetto di una forza detta forza elettromotrice o
tensione; c'e' però qualcosa che contrasta di più o di meno questa forza e tende a
frenare lo scorrere degli elettroni: questa forza frenante, che dipende dalla natura del
materiale attraversato, viene detta resistenza elettrica. E' bene adesso spendere qualche
parola sulla lampadina: come mai alcune lampade fanno tanta luce ed altre ne fanno
molto poca, pur essendo tutte ugualmente collegate alla stessa presa dove, abbiamo
visto, ci sono 220 volt? La spiegazione risiede nella quantità di corrente che passa nella
lampadina. Quelle che fanno poca luce vengono attraversate da poca corrente; quelle
che fanno molta luce vengono attraversate da una corrente più forte. Maggiore e'
questa resistenza e minore e' la corrente che riesce a passare (abbiamo visto che in
certi materiali, detti isolanti, la corrente non passa per niente). Le lampadine che
fanno più luce sono costruite in modo tale che il loro filamento, cioè quel filo che si
scalda e diventa incandescente, abbia una resistenza bassa e possa quindi far passare
più corrente. Questo risultato si può ottenere in vari modi:
_ si può usare un materiale che per sua natura abbia una minore resistenza elettrica e
quindi presenti una maggior attitudine ad essere attraversato dalla corrente
_ scelto un certo materiale, si può usare un filo più grosso: più e' grosso il
filo, maggiore e' la corrente che riesce a passare
_ si può fare in modo che la lunghezza del filo sia minore: più corto e' il filo,
più corrente passa.
Due conduttori fatti con lo stesso materiale, ma di lunghezza diversa, offrono una diversa
resistenza: il più corto avrà una resistenza minore del più lungo e quindi la lampadina collegata avrà
una maggiore luminosità.
Ritornando sempre al circuito idraulico esemplificativo, l'acqua che scorre nel tubo é
frenata dall'attrito con le pareti e tale ostacolo é tanto maggiore quanto minore é il
diametro del tubo stesso e quanto più lungo é esso. Anche il flusso di elettroni che
attraversa un conduttore incontra un simile impedimento, che é detto resistenza
elettrica, e la cui intensità dipende dalla sezione e dalla lunghezza del conduttore e dal
materiale di cui esso é costituito. In particolare la resistenza, la cui unità di misura é
l'ohm (simbolo O), é tanto maggiore quanto più lungo é il conduttore e quanto minore
é la sua sezione. Inoltre alcuni materiali, detti conduttori, oppongono un piccolo
ostacolo al flusso degli elettroni mentre altri, detti isolanti, ne impediscono quasi del
tutto il movimento.
Tra ohm, ampere e volt esiste poi una relazione, detta Prima legge di Ohm
(fisico tedesco), in base alla quale «la differenza di potenziale (V), agli estremi
di un conduttore percorso dalla corrente elettrica, é proporzionale all’intensità
di corrente (I) ed alla resistenza (R)». Tale legge é espressa dalle formule:
Il passaggio degli elettroni attraverso un conduttore di un circuito trova sempre un
ostacolo, una resistenza al loro movimento. La resistenza elettrica è la difficoltà
maggiore o minore che un conduttore oppone al passaggio della corrente elettrica.
L’unità di misura della resistenza elettrica è l’ohm (O), che equivale alla resistenza di
un conduttore al passaggio di 1 ampère (A) di corrente ed abbia agli estremi la tensione
di 1 volt (V).
Riepilogando possiamo dire che:
Un materiale può essere attraversato da corrente se e' conduttore.
La corrente che passa in un materiale dipende da due fattori:
1- dalla forza elettromotrice, o tensione, applicata
2- dalla resistenza del materiale
Con riferimento ad un conduttore di determinate dimensioni, se indichiamo con V la
tensione applicata, con I la corrente che attr aversa il conduttore e con R la sua
resistenza, possiamo esprimere matematicamente la relazione che esiste fra le tre
grandezze. In pratica questo vuol dire che conoscendo il valore di due
delle tre grandezze in gioco, e' possibile calcolare la terza.
Esercizio: se ho un utilizzatore la cui resistenza R e' di 44 ohm e lo collego ad una
tensione V di 220 volt, posso dire subito che nel mio utilizzatore passerà una corrente
di 5 ampere, perché? 220/44 dà come risultato 5.
Una lampadina ha resistenza di 6 ohm. Qual è la differenza di potenziale da
applicare perché l’intensità della corrente assorbita dalla lampadina sia di 2
ampére?
Qual è l’intensità di corrente necessaria per far funzionare una stufa elettrica,
se la sua resistenza è di 40 ohm e la differenza di potenziale di 220 volt?
Qual è la resistenza di un filo conduttore attraversato da una corrente elettrica
di intensità pari a 0,1A, se tra i suoi estremi vi è una differenza di potenziale di
2,5 V?
Quale differenza di potenziale è presente agli estremi di un conduttore avente
la resistenza di 15 ohm, se l’intensità di corrente è di 8 ampére?
La potenza elettrica e l’energia elettrica
La potenza é il prodotto dell’intensità di corrente, misurata in ampere, per la tensione,
misurata in volt.
La potenza è una grandezza che misura il lavoro che una macchina (o utilizzatore) compie
in un'unità di tempo. Se la macchina funziona a elettricità la potenza sarà data dal prodotto
della tensione per l'intensità. In formula:
P=VxI
(potenza = tensione x intensità)
La potenza si misura in watt (simbolo W). 1 000 W sono 1 KW (Kilowatt). 1 000 000 W
sono 1 MW (Megawatt). Se si tiene acceso per un'ora un utilizzatore che consuma 1 KW
noi consumiamo un KWh cioè un Kilowattora.
L’unità di misura della potenza elettrica é il watt (simbolo W) e suoi multipli sono il
chilowatt (simbolo kW), pari a 1.000 watt, ed il megawatt (simbolo MW), pari a
1.000.000 di watt. Il prodotto della potenza elettrica (watt) per il tempo (ore) è l’energia
elettrica consumata e la misura di 1 chilowattora (simbolo kWh) corrisponde
all’energia consumata in un'ora da un apparecchio elettrico della potenza di 1.000 watt.
Ad esempio una lampadina da 100 W consuma: 100 wattora (cioè 0,1kWh) se funziona
per 1 ora; 10 wattora (cioè 0,01kWh) se funziona per 6 minuti, ovvero 1/10 di 1 ora; 300
wattora (cioè 0,3kWh) se funziona per 3 ore.
Per chiarire meglio quanto affermato, consideriamo le due lampadine a lato:
quella a sinistra è una lampadina per fari di automobili, ed è progettata per funzionare
con la batteria da 12 volt; quella di destra è una comune lampada per l'illuminazione
casalinga a 220 V. Pur essendo diverse nella forma e nella tensione di funzionamento,
le due lampade sono progettate per assorbire la stessa potenza di 40 W;
infatti, la prima, collegata alla batteria dell'auto, assorbe una corrente di 3,3A mentre
la seconda, collegata alla presa da 220V, assorbe una corrente di 0,18A.
Esercizio. Calcoliamo la potenza nei due casi:
per la lampada da auto abbiamo P = 12 x 3,3 = 39,6 watt;
per la lampada di tipo domestico abbiamo P = 220 x 0,18 = 39,6 watt.
Come si vede, a parità di potenza, più bassa è la tensione di funzionamento più alta è la
corrente assorbita.
LA SECONDA LEGGE DI OHM
Oltre che dal materiale la R dipende dalla sezione e dalla lunghezza del conduttore
sezione.
tuito
La seconda legge di Ohm afferma che la resistenza di un conduttore è direttamente
proporzionale alla sua lunghezza e inversamente proporzionale alla sua sezione
Possiamo riassumere le precedenti considerazioni in un’unica formula:
s è la sezione
l è la lunghezza che lo attraversa
R è la sua resistenza elettrica
þ (leggi ro, lettera dell’alfabeto greco) è un coefficiente che dipende dal materiale ,
detto resistività .
La resistività è minore nel rame e maggiore per il ferro
I pericoli dell’elettricità
Gli effetti di una scossa elettrica sull’organismo umani dipendono il gran parte
dall’intensità della corrente elettrica che lo attraversa, cioè dalla quantità di cariche, e
dalla durata della scossa. L’espressione “rimanere attaccati alla corrente” deriva dal
fatto che la corrente elettrica agisce sui centri nervosi e sulla muscolatura con effetti di
paralisi temporanea. Nei casi più gravi si può arrivare alla paralisi del cuore e del
diaframma con conseguenze arresto del battito cardiaco e della respirazione. In oltre
l’effetto termico della corrente si manifesta producendo ustioni si esterne che interne .
Con 10 mA si subisce una scossa abbastanza robusta, 30 mA sono già pericolosissimi
per il nostro organismo e 40 mA poso portare alla morte. Conoscendo la resistenza del
nostro corpo possiamo calcolare quali tensioni cominciano a essere pericolose e quali
rischi corriamo con la tensione di 220V,che è quella normalmente utilizzata negli
impianti domestici.
Grandezza
Unità di misura
Simbolo
Strumento di misura
Tensione
Volt
V
Voltometro
Intensità
Ampere
A
Amperometro
Resistenza
Ohm
Ω
Ohmetro
Potenza
Watt
W
Wattometro
Assorbimento
Kilowattora
kWh
Contatore
La quantità di corrente elettrica che attraversa un filo conduttore può variare, per
questo si parla di intensità della corrente elettrica.
L' intensità della corrente è identificata dalla lettera i . Essa è il rapporto fra la carica
elettrica Q, che passa in una sezione del conduttore, e il tempoT impiegato. La sua
unità di misura è l’ Ampere ( A ) ed è possibile quantificarla grazie ad uno strumento
denominato “Amperometro”.
Gli effetti della corrente
Quando circola in un circuito, la corrente elettrica produce tre differenti effetti:
•� Effetto termico o effetto Joule
Come detto, la resistenza è una forma di attrito, quindi, al passaggio della corrente, il
conduttore si riscalda. Secondo la legge di Joule, il calore ( P ) prodotto è direttamente
proporzionale alla resistenza e al quadrato dell’intensità della corrente.
Questo effetto è utilizzato quasi dovunque: nei ferri da stiro, nelle stufe, nelle lavatrici,
nelle lavastoviglie …
Un particolare utilizzo di questo effetto è prodotto dalle lampadine. Se ne osserviamo
una, possiamo facilmente notare che, all’interno della sua ampolla, vi è un sottile
filamento conduttore di tungsteno , il quale sarà attraversato da una corrente elettrica
che lo farà riscaldare, senza farlo bruciare, perchè l’ampolla è vuota o piena di gas
inerte. La temperatura raggiunta dal tungsteno è talmente elevata che il materiale
emetterà luce.
Effetto chimico
L’effetto chimico della corrente è sfruttato dal fenomeno dell’ elettrolisi .
Se immergiamo due lamine di metallo collegate ad un generatore e ad un utilizzatore
all’interno di una bacinella d’acqua distillata, ci accorgiamo che la lampadina non si
accende. Per favorire il passaggio della corrente è sufficiente aggiungere del
comunissimo cloruro di sodio NaCl (sale da cucina). Ciò avviene perchè l’acqua
distillata non favorisce il passaggio della corrente. Quando noi aggiungiamo il sale,
NaCl, esso si discioglie nell’acqua in forma di sodio (Na + ) e cloro (Cl ‐ ); il primo
ione viene attratto dal catodo (la lamina collegata al polo negativo del generatore),
mentre il secondo dall’ anodo (la lamina collegata al polo positivo del generatore).
Durante questo spostamento, gli elettroni della corrente elettrica vengono trasportati
dagli ioni : questa è la motivazione del passaggio di corrente in un liquido, solo in
presenza di ioni positivi e negativi. L’elettrolisi è utilizzata anche per ricoprire alcuni
conduttori di un sottile strato di un altro metallo: l’oggetto da rivestire viene immerso
nel liquido e collegato al catodo, mentre all’anodo viene collegata una lastra del
metallo ricoprente. Al passaggio della corrente, gli ioni metallici con carica positiva si
muovono verso il catodo, ricoprendo l’oggetto di un sottile strato del secondo metallo (
galvanostegia ).
Effetto magnetico
Il passaggio di corrente elettrica lungo un conduttore crea un campo magnetico
( elettromagnetismo ).
È stato i fisico danese Oersted a scoprire questo fenomeno: egli notò che l’ago di una
bussola mutava drasticamente la sua direzione quando si trovava vicino ad un conduttore
nel quale passava della corrente elettrica.
Il fenomeno inverso, invece, fu scoperto da Faraday, il quale capì che sia il movimento di
una calamita all’interno di un solenoide, cioè, un conduttore isolato sotto forma di spirale,
sia lo spostamento di un circuito elettrico privo di un generatore in un campo magnetico,
inducevano la corrente nel filo conduttore ( induzione elettromagnetica ). Quest’ultimo
fenomeno viene sfruttato soprattutto per produrre energia elettrica, come nel caso
della dinamo : la ruota della bicicletta fa girare un asse sul quale vi è una calamita che,
girando, induce la corrente elettrica nel solenoide avvolto intorno ad essa; da qui la
corrente viaggia fino all’utilizzatore, una semplice lampadina. Il processo inverso della
dinamo invece, è riscontrabile nel motore elettrico : il motore trasforma l’energia elettrica
in meccanica, sfruttando sempre alcuni fenomeni magnetici

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