Unità G16 - La corrente elettrica continua
Differenza di potenziale
Intensità di corrente
Resistenza
Effetto Joule
Prima legge
di Ohm
Resistività e temperatura
Resistività
Seconda legge
di Ohm
Potenza in un conduttore
Trasformazione dell’energia elettrica
Giuseppe Ruffo, Fisica: lezioni e problemi © Zanichelli editore 2010
Appunti sulla corrente elettrica
Fisica
lezioni e problemi
Unità G16 - La corrente elettrica continua
Giuseppe Ruffo, Fisica: lezioni e problemi © Zanichelli editore 2010
Lezione 1 - La corrente elettrica
La corrente elettrica è un flusso ordinato di cariche all’interno di un circuito chiuso; responsabile della corrente è il generatore di differenza di potenziale
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Lezione 1 - La corrente elettrica
Un circuito elettrico è composto da un generatore, un utilizzatore e dei cavi di collegamento
Quando il circuito viene chiuso, in esso circola una corrente elettrica.
In un conduttore metallico la corrente è un flusso ordinato di elettroni liberi (elettroni di conduzione).
Per convenzione, la corrente circola dal polo positivo al polo negativo, in verso opposto rispetto al moto degli elettroni
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Lezione 1 - La corrente elettrica
Tra i due poli della pila c’è una d.d.p.: il terminale a potenziale più alto è il polo positivo.
Il generatore compie lavoro per spostare gli elettroni al suo interno dal polo positivo al polo negativo: gli elettroni acquistano energia, che poi, circolando nel circuito, cedono all’utilizzatore.
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Lezione 5 - I condensatori
Intensità di corrente : rapporto fra la quantità di carica che passa attraverso la sezione del conduttore e l’intervallo di tempo in cui passa.
Unità di misura SI: ampere (A)
Corrente continua: intensità costante nel tempo.
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Lezione 1 - La corrente elettrica
Amperometro: misura l’intensità di corrente
L’amperometro viene inserito nel circuito in serie; è attraversato dalla stessa corrente che attraversa l’utilizzatore.
Voltmetro: misura la differenza di potenziale
È inserito nel circuito in parallelo: ai suoi capi c’è la stessa d.d.p. presente ai capi dell’utilizzatore.
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Lezione 1 - La corrente elettrica
Utilizzatore: d.d.p. ai capi = ΔV; intensità di corrente = i
Quantità di carica che attraversa l’utilizzatore nel tempo Δt:
Energia ceduta all’utilizzatore:
Potenza assorbita dall’utilizzatore
Nota la potenza assorbita, l’energia è il prodotto della potenza per il tempo; si può misurare in kWh:
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Lezione 2 - La resistenza elettrica
L’intensità di corrente che passa in un conduttore è proporzionale alla d.d.p. applicata ai suoi estremi; maggiore è la d.d.p. più grande è l’intensità di corrente
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Lezione 2 - La resistenza elettrica
Se si applica una d.d.p. a un conduttore si ha un passaggio di corrente
La resistenza elettrica di un conduttore è il rapporto tra la d.d.p. applicata e l’intensità di corrente circolante.
Nel SI la resistenza elettrica si misura in ohm (Ω):
La curva caratteristica rappresenta l’andamento dell’intensità di corrente in funzione della d.d.p.
Non in tutti i casi la relazione tra i e ΔV è lineare
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Lezione 2 - La resistenza elettrica
Prima legge di Ohm
In un conduttore metallico, mantenuto a temperatura costante, l’intensità di corrente circolante i e la d.d.p. applicata ΔV sono direttamente proporzionali. La resistenza elettrica R è costante
.
La curva caratteristica è una semiretta
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Lezione 2 - La resistenza elettrica
Conduttore ohmico o resistore: conduttore per cui vale la legge di Ohm. Misura della resistenza elettrica di un resistore: misura diretta con un ohmetro, oppure misura indiretta con il metodo volt-amperometrico.
Vengono misurate l’intensità di corrente circolante i e la d.d.p. ai capi del resistore; la resistenza R è calcolata mediante la prima legge di Ohm
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Lezione 2 - La resistenza elettrica
Alcuni tipi di resistori in commercio sono contrassegnati da un codice a bande colorate che specifica il valore della resistenza
Prima banda: prima cifra del valore
Seconda banda: seconda cifra del valore
Terza banda: numero di zeri dopo le cifre
Quarta banda: tolleranza (oro: ± 5%, argento: ± 10%, nessuna banda ± 20%)
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Lezione 2 - La resistenza elettrica
Potenza elettrica su un conduttore ohmico
Potenza assorbita da un utilizzatore:
Prima legge di Ohm:
La potenza assorbita da un conduttore ohmico è:
La potenza non dipende dal segno di i.
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Lezione 3 - La seconda legge di Ohm
La resistenza di un conduttore dipende dall’area della sezione, dalla lunghezza e dal tipo di materiale
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Lezione 3 - La seconda legge di Ohm
Seconda legge di Ohm: la resistenza di un conduttore ohmico
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Lezione 3 - La seconda legge di Ohm
Il coefficiente ρ è la resistività (o resistenza specifica) del materiale.
ρ e R sono legate dalla relazione . Nel SI ρ si misura in Ω·m
Fissata la geometria del conduttore, la resistenza è direttamente proporzionale alla resistività
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Lezione 3 - La seconda legge di Ohm
Fissato il materiale (cioè la resistività ρ), l’andamento della resistenza è:
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Lezione 3 - La seconda legge di Ohm
Reostato: resistenza a lunghezza variabile
Variando la posizione del contatto mobile C, variano anche la lunghezza del filo inserito nel circuito, e quindi la resistenza
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Lezione 3 - La seconda legge di Ohm
Reostato utilizzato come potenziometro (o partitore di tensione)
La d.d.p. tra i punti B e A (ΔVi) è fissa;
la d.d.p tra i punti C e A (ΔVu) è variabile.
Si ha 0 ≤ x ≤ l e 0 ≤ ΔVu ≤ ΔVi
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Lezione 4 - Resistività e temperatura
La resistività di un conduttore dipende dal materiale e dalla temperatura; in genere la resistività aumenta con l’aumentare della temperatura
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Lezione 4 - Resistività e temperatura
La resistività di un materiale varia con la temperatura in modo lineare:
T0 è una temperatura di riferimento (generalmente 20 °C o 0 °C) e ρ0 è la resistività alla temperatura di riferimento
Il coefficiente di temperatura α dipende dal materiale: è positivo per i metalli (ρ cresce con la temperatura), è negativo per alcuni semiconduttori
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Lezione 4 - Resistività e temperatura
La resistenza di un conduttore, per la seconda legge di Ohm, è
In effetti, lunghezza l e sezione A aumentano con la temperatura a causa della dilatazione: supponiamo quindi che i due aumenti si compensino e il rapporto l/A resti costante al variare di T
La resistenza di un conduttore varia quindi, con buona approssimazione, linearmente con la temperatura
A temperatura T0:
A temperatura T:
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Lezione 4 - Resistività e temperatura
Il filamento di una lampadina, quando è attraversato da corrente, si riscalda in modo crescente con la corrente stessa.
La resistenza R del filamento aumenta con la corrente i, e la relazione tra i e ΔV non è più di tipo lineare
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Lezione 4 - Resistività e temperatura
Termometri a resistenza: misurando la resistenza alla temperatura T e conoscendo T0, R0 e α, si determina T
Materiali superconduttori (alcuni metalli, leghe metalliche o ceramiche): temperatura critica Tc (variabile tra 1 K e oltre 100 K)
Per T < Tc , ρ = 0, e quindi R = 0. Per T < Tc un superconduttore non oppone resistenza al passaggio della corrente.
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Lezione 5 - L’effetto termico della corrente
Il passaggio di corrente in un conduttore produce tanto più calore quanto maggiore è l’intensità di corrente
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Lezione 5 - L’effetto termico della corrente
La corrente che passa in un conduttore cede energia al conduttore stesso
L’energia elettrica viene trasformata in energia di altro tipo, a seconda del dispositivo utilizzatore
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Lezione 5 - L’effetto termico della corrente
Effetto Joule: trasformazione di energia elettrica in calore.
Nei conduttori ohmici la potenza elettrica assorbita è , e
tutta l’energia elettrica assorbita si trasforma in calore dissipato
La quantità di calore dissipato da un conduttore ohmico in un intervallo di tempo Δt è data da (legge di Joule):
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Lezione 5 - L’effetto termico della corrente
In alcuni casi si sfrutta l’effetto joule per scaldare corpi solidi o fluidi.
In altri casi, l’effetto Joule è una perdita di energia indesiderata, e si cerca di ridurlo al minimo.
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Lezione 5 - L’effetto termico della corrente
Se un bollitore elettrico funziona per un tempo Δt, la quantità di calore disipata è:
Se la temperatura dell’acqua cresce di ΔT, la quantità di calore assorbita dall’acqua è:
In assenza di dispersioni:
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Lezione 5 - L’effetto termico della corrente
Altri effetti prodotti dal passaggio di corrente elettrica:
Effetto magnetico: la corrente che circola in un filo produce una deviazione di un ago magnetico
Effetto chimico: il passaggio di corrente in una soluzione elettrolitica provoca un movimento di cariche (ioni) nella soluzione, e una serie di reazioni chimiche
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Unità G16 - La corrente elettrica continua
Differenza di potenziale
Intensità di corrente
Resistenza
Effetto Joule
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Resistività
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Potenza in un conduttore
Trasformazione dell’energia elettrica
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