CORSO DI FISICACORSO DI FISICA

Prof. Francesco Zampierihttp://digilander.libero.it/fedrojp/

fedro@dada.it

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?