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Le informazioni di medicina e salute contenute nel sito sono di natura generale ed a scopo puramente divulgativo e per questo motivo non possono sostituire in alcun caso il consiglio di un medico (ovvero un soggetto abilitato legalmente alla professione).
La Carica Elettrica
La carica elettrica è una proprietà naturale della materia.
Alla scala atomica o a quella nucleare la più piccola quantità di carica (o carica elettrica elementare) è posseduta dall’elettrone (indicata con e), come fu dimostrato nel 1912 da Millikan nel suo celebre esperimento
Con questo esperimento fu dimostrato per la prima volta che la carica elettrica era quantizzata e ne fu misurato il valore minimo, ossia la carica dell'elettrone.
Millikan sfruttò il moto di piccole goccioline di olio (emulsioni, sospensioni) immesse mediante uno spruzzatore in una camera, sostanzialmente costituita dalle due armature di un condensatore caricato ad un potenziale regolabile. La camera è illuminata per rendere le goccioline osservabili tramite un microscopio con oculare munito di una scala graduata.
Scelta una gocciolina se ne può misurare la velocità di deriva (a condensatore scarico) dovuta all'equilibrio fra la forza di gravità e quella di attrito viscoso con l'aria della camera. La gocciolina possiede delle cariche elettriche superficiali, indotte dallo sfregamento con il condotto che la immette nella camera (in alternativa le goccioline possono essere elettrizzate anche per esposizione a radiazioni ionizzanti). Applicando una differenza di potenziale alle armature del condensatore si può allora esercitare una forza elettrica sulla goccia in modo da fermarla, riportarla in alto, farla ricadere etc.
Ripetendo l’esperienza più volte e con diverse gocce, si osserva che valori del campo elettrico che fermano le gocce sono tutti multipli di un valore unico, appunto proporzionale alla carica dell'elettrone.
Consideriamo quindi le forze a cui è soggetta la goccia:
con m = massa della goccia, g = accelerazione di gravità, q = carica sulla goccia, V = potenziale elettrico, d = distanza tra le armature del condensatore, η = coefficiente di viscosità dell'aria, R = raggio della goccia, v = velocità della goccia, ρ = densità della goccia.
La forma della goccia è approssimata a quella di una sfera. A causa della viscosità dell’aria, il suo moto può essere considerato laminare essendo R e v sufficiente piccoli. Se si applica un’opportuna differenza di potenziale V tra le armature del condensatore, tale che la forza elettrica eguagli la forza peso, la gocciolina resta sospesa in equilibrio. In queste condizioni abbiamo:
ovvero
Per ricavare la quantità di carica q sulla goccia occorre quindi conoscerne la massa. Per misurare la massa m, si azzera il potenziale e si registra la velocità di caduta della goccia sotto l'azione della sola forza peso e della forza viscosa; tale velocità è data dalla formula:
dalla quale, misurando v (tramite l'uso della scala graduata dell'oculare e di un cronometro), si può ricavare il raggio R della goccia supposta sferica. Conoscendo la densità dell'olio e calcolando il volume della sfera si ricava la massa m
Infine, si ricava la carica q sostituendo il valore della massa nella formula
Poiché le goccioline sono molto piccole, la quantità di carica presente su di esse può essere dell’ordine di una decina di cariche elementari; misurando allora tale carica in un grande numero di casi si può verificare, nei limiti degli errori sperimentali, che i valori trovati sono tutti multipli interi di un certo valore che può essere assunto come la carica elementare e.
Il valore della carica elementare ottenuto con l'esperimento di Millikan è
Tutte le cariche esistenti in natura sono multiple di e, ovvero:
Q = n · e
dove n è un numero intero positivo o negativo.
La carica e non può assumere un qualsiasi valore arbitrario Q ma solo valori discreti, in questo modo si parla di quanto di carica.
Il valore della carica elementare è stato misurato, a partire da Millikan, varie volte nel corso degli anni sempre con maggiore precisione e vale attualmente:
e = 1,6021892 · 10-19 C
È un valore molto piccolo.
Nel filamento incandescente di una comune lampadina passa ogni secondo un numero di elettroni dell’ordine di 1018 ! Di conseguenza, per scopi pratici, normalmente il numero di elettroni in una corrente, quello delle cariche accumulate sulle armature di un condensatore possono essere trattati come numeri reali.
La Corrente Elettrica
In un conduttore metallico la corrente è dovuta al moto degli elettroni. Se il conduttore è isolato gli elettroni si muovono in tutte le direzioni di moto caotico dovuto all'eccitazione termica. Se invece colleghiamo un generatore di corrente al conduttore metallico gli elettroni si muoveranno in media tutti nella stessa direzione. In effetti il generatore di corrente è costituito da un polo negativo dove esiste un eccesso di elettroni e un polo positivo dove abbiamo una carenza di elettroni; questa condizione è dovuta a processi interni nel generatore. Se i poli del generatore sono collegati ad un conduttore metallico gli elettroni tenderanno a muoversi all’esterno del generatore dalla zona con eccesso di elettroni verso la zona con mancanza di elettroni e cioè dal polo negativo a quello positivo. L'eccesso e la carenza di elettroni ai poli del generatore possono essere costanti oppure scambiarsi nel tempo: nel primo caso avremo una corrente continua (abbreviato DC, dall'inglese "direct current"), nel secondo una corrente alternata (abbreviato AC, "alternate current"). In queste pagine Web ci occuperemo essenzialmente di corrente continua.
Associato al moto degli elettroni abbiamo un trasporto di carica.
La rapidità con cui fluisce la carica elettrica in un filo conduttore definisce l' intensità di corrente.
La corrente elettrica esercita diversi effetti :
Come vedremo meglio tra breve, proprio su questo ultimo effetto si basa la definizione di ampere (A) che è l'unità di misura dell'intensità di corrente:
un ampere è l’intensità di una corrente elettrica che, scorrendo su ciascuno di due conduttori rettilinei paralleli posti nel vuoto ad una distanza di 1 m, provoca una forza di 2 ·10-7 N per metro di conduttore.
L'intensità di corrente I è definibile come la quantità di carica elettrica che attraversa una sezione di un conduttore nell'unità di tempo.
L'intensità di corrente è una grandezza scalare, l'unità di misura è l'ampere (A) e si misura con l'amperometro, uno strumento che, nella versione classica, sfrutta l'effetto magnetico delle correnti.
Nel 1820 Ampère osservò sperimentalmente che due circuiti percorsi da corrente elettrica esercitano tra loro:
Nel caso di due fili conduttori paralleli, percorsi dalle correnti I1 e I2, l'intensità della forza per unità di lunghezza di conduttore è:
Nel Sistema Internazionale (SI) delle unità di misura si ha in generale:
con:
= lunghezza dei conduttori in m; Fissate la distanza r tra i due conduttori e la lunghezza 
del conduttore, se le due correnti sono uguali (I1 = I2 = I) l'unico modo di modificare F è variare la sola grandezza elettrica I. Questa è la legge usata per definire quantitativamente l'intensità di corrente I:
un ampere è l'intensità di una corrente elettrica, che, scorrendo in due conduttori rettilinei paralleli posti nel vuoto ad una distanza di 1 m, provoca una forza di 2 ·10-7 N per metro di conduttore.
Dalla Corrente Elettrica alla Carica Elettrica
La definizione quantitativa di unità di carica elettrica segue immediatamente da quella di ampere:
con carica elettrica si intende il prodotto dell'intensità di corrente I per l'intervallo di tempo ∆t di osservazione. Essa si chiama anche quantità di elettricità o quantità di carica. L'unità di carica elettrica, Q, nel SI è il coulomb (C):
1 C = 1 A · 1 s
Se un conduttore è attraversato da una corrente costante nel tempo, la quantità di carica che scorre attraverso la sezione traversa di tale conduttore nel tempo ∆t è:
Q = I · ∆t
Se immaginiamo di osservare il moto delle cariche in un punto qualsiasi del conduttore, la quantità di carica che transita, in ogni secondo, attraverso una sezione trasversale del conduttore, è sempre la stessa. In questo modo l’intensità I di corrente nel conduttore è costante, pertanto:
si definisce corrente continua (o stazionaria) una corrente che fluisce in un’ unica direzione del conduttore, con intensità I costante.
Se invece la corrente varia nel tempo la carica che attraversa il conduttore fra due istanti temporali t1 e t2 è data da:
Conversione:
1 amperora = 1A·1h = 3600 C
Tensione e Potenziale elettrico
Perché ci sia corrente elettrica, deve esistere una differenza di potenziale agli estremi del conduttore e quindi un campo di forze elettrico. La differenza di potenziale può essere definita come il lavoro fatto su una quantità di carica per farla passare attraverso il conduttore, diviso la carica stessa.
Sorgente di tensione Vq (origine del potenziale)
Essa è l’origine della corrente elettrica e regna fra i poli di un generatore di tensione. Questa è indicata anche come forza elettromotrice (f.e.m.).
Esempi di generatori di tensione sono una pila, una dinamo di una bicicletta, ecc.
In particolare, un generatore di tensione continua ha due morsetti: il polo positivo, con potenziale elettrico più elevato, ed il polo negativo con potenziale elettrico minore.
Al polo negativo esiste un eccesso di elettroni, al polo positivo una mancanza di elettroni. Se si connettono i poli del generatore con un filo metallico, sono gli elettroni che si spostano all’esterno del generatore di tensione, dalla zona con eccesso a quella con mancanza di elettroni, ossia dal polo negativo al positivo. Il passaggio di elettroni tende a livellare il potenziale tra i due poli. La differenza di potenziale iniziale è prodotta e mantenuta attraverso processi interni nel generatore di tensione. Nelle pile e nelle batterie sono processi legati a forze di natura chimica, mentre nelle dinamo sono forze di natura magnetica.
Si noti che, prima di conoscere il reale moto delle cariche in un conduttore, era stata già stabilita una direzione convenzionale della corrente elettrica: per convenzione la corrente scorre dal polo positivo a quello negativo come se fosse dovuta ad una migrazione di cariche positive.
In un filo conduttore gli elettroni sono le uniche particelle cariche che determinano la corrente.
Si è assunto, però, come verso convenzionale della corrente, quello in cui si muoverebbero i portatori di carica positiva.
La convenzione adottata non comporta comunque particolari conseguenze. Infatti una carica positiva che scorre in un verso (verso destra nella figura) è equivalente ad una carica negativa che si muove nel verso opposto (verso sinistra nella figura).
Analogia con un circuito idraulico
Per comprendere meglio il concetto di forza elettromotrice si può ricorrere ad una analogia con la pompa di un circuito idraulico.
Supponiamo di avere due depositi di acqua A e B, con B posto ad una quota superiore ad A.
Perché l'acqua continui a scorrere è necessario rifornire il deposito B di acqua. Per portare acqua da A a B, bisogna fornire la necessaria energia.
Nel circuito idraulico è la pompa che apporta tale energia, mentre nel circuito elettrico è la forza elettromotrice.
Tanto maggiore è la differenza di quota fra i due serbatoi, tanto maggiore è l’energia che deve fornire la pompa; analogamente tanto maggiore è la differenza di potenziale fra i poli del generatore, tanto maggiore è la forza elettromotrice.
Caduta di Tensione
Con l'espressione "Caduta di tensione" o "Caduta di potenziale" si indica la differenza di potenziale fra due qualsiasi punti di un conduttore attraverso il quale scorre una corrente. Essa è sempre più piccola della tensione del generatore, che invece rappresenta la differenza di tensione massima che si può avere ai capi del conduttore. Se in un conduttore c'è una caduta di tensione ciò significa che al suo interno si trovano punti a potenziali diversi. Se così non fosse, il conduttore sarebbe in equilibrio e non vi sarebbe un flusso significativo di cariche. La somma di tutte le differenze di potenziale consecutive all'interno di un conduttore è uguale alla differenza di potenziale ai capi del conduttore.
Con il termine tensione V fra due punti di un conduttore si definisce il rapporto tra il lavoro compiuto per unità di tempo (potenza) nel trasporto in questo tratto di conduttore e la corrente che passa attraverso il conduttore stesso.
P in watt, I in ampere, Q in coulomb.
Nel SI l'unità di misura della tensione è il volt (V)
1 volt è la differenza di potenziale elettrico fra due punti di un conduttore metallico, nel quale, per far scorrere una corrente costante di 1 A fra i punti dati, si deve dissipare la potenza di 1 watt.
Fonte: http://minorenti.altervista.org/files/carica,%20corrente%20e%20potenziale.doc
Sito web da visitare: http://minorenti.altervista.org
Autore del testo: non indicato nel documento di origine
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