Corso di Elettronica per ragazzi – Puntata 3

Nel precedente articolo “Corso di Elettronica per ragazzi - Puntata 2” abbiamo parlato dell’elettricità di movimento nei solidi e nei liquidi, ovvero della CORRENTE ELETTRONICA e della CORRENTE IONICA. In questo articolo parleremo ancora un pò della corrente elettrica e introdurremo il concetto di TENSIONE ELETTRICA, POTENZIALE ELETTRICO, DIFFERENZA DI POTENZIALE e vedremo cos’è e come funziona il GENERATORE ELETTRICO.

Introduzione

Nella seconda parte del corso di Elettronica abbiamo compreso cos’è la corrente elettrica, ossia il movimento di elettroni in una certa direzione, e abbiamo chiarito le definizioni di verso convenzionale e verso effettivo della corrente. Ma occorre capire un’altra cosa molto importante della corrente, specialmente quando cominceremo a realizzare circuiti elettrici: COME SI MISURA LA CORRENTE che scorre in un conduttore! Oppure, possiamo anche chiederci: “quanta elettricità passa attraverso un conduttore?”. Per rispondere a questa domanda ci serviremo dell’immagine riportata in Figura 1 in cui viene mostrato un conduttore attraverso il quale immaginiamo che scorra una corrente elettrica formata da elettroni in movimento verso una certa direzione.

Figura 1: Corrente di elettroni che attraversa un conduttore

Bene, la misura della corrente che scorre in questo conduttore si determina dalla quantità di elettroni che attraversano una SEZIONE del conduttore nell’intervallo di tempo di un secondo. Una SEZIONE è una superficie piana perpendicolare alla direzione della corrente, come quelle colorate in azzurro all’interno del conduttore mostrato in Figura 1. Questa quantità di elettricità che attraversa in un secondo una sezione del conduttore si chiama INTENSITA' di corrente. L’unità di misura dell’INTENSITA’ di corrente è l’AMPERE (si pronuncia Amper) il cui simbolo è la lettera A. Vedremo che nelle formule e nella descrizione teorica dei circuiti, la corrente viene indicata con la lettera I o i.

Equivalente all’Ampere, la quantità di carica elettrica in movimento in un conduttore è rappresentata dal COULOMB (si pronuncia CULOMB) che è appunto l’unità di misura della quantità di carica elettrica. Il simbolo del Coulomb è la lettera C, ma è possibile anche usare la lettera Q. Detto ciò, possiamo affermare che l’intensità di corrente è uguale al numero di coulomb al secondo che attraversano la sezione di un conduttore, ovvero, un Ampere equivale ad un Coulomb al secondo, in formula si scrive: 1 A = 1 C/s .
Come vedremo, in pratica si usa l’AMPERE per misurare la corrente, ma il COULOMB può tornare utile usarlo quando viene descritta la teoria di funzionamento di alcuni componenti elettronici e fenomeni fisici.

Potenziale elettrico e differenza di potenziale

Consideriamo il funzionamento del sistema elettrico di Figura 2 costituito da un conduttore ai cui estremi sono collegate una sfera metallica con carica elettrica positiva e una sfera metallica con equivalente carica elettrica negativa, ossia, la quantità di cariche elettriche positive della sfera con carica elettrica positiva è uguale alla quantità di elettroni presenti nella sfera con carica elettrica negativa.

Figura 2: Cariche elettriche applicate ad un conduttore

Una volta collegate le due sfere al conduttore, considerando il verso effettivo della corrente, ovvero non convenzionale, gli elettroni nella sfera negativa inizieranno a muoversi verso il conduttore attratti dalla carica positiva della sfera positiva. Si attiverà così una corrente elettrica diretta dalla sfera negativa alla sfera positiva. La corrente cesserà quando tutti gli elettroni avranno raggiunto la sfera positiva occupando il posto di tutte le cariche positive. In pratica, la creazione della corrente è stata possibile grazie alla differenza di cariche elettriche delle due sfere. In effetti, la sfera negativa possiede un POTENZIALE elettrico negativo superiore a quello della sfera positiva, e proprio questa DIFFERENZA DI POTENZIALE ha generato la corrente. Ciò è confermato dal fatto che non appena il sistema raggiunge l’equilibrio elettrico, ovvero le due sfere hanno la stessa carica elettrica, quindi lo stesso potenziale elettrico, il passaggio di corrente nel conduttore termina. La DIFFERENZA DI POTENZIALE è la TENSIONE esistente fra la sfera negativa e la sfera positiva. La TENSIONE viene indicata con la lettera V o v, e l’unità di misura è il VOLT. Come la corrente, anche la TENSIONE ha un verso detto POLARITA' indicata con + e -.

Abbiamo quindi scoperto un fenomeno molto importante: finché c’è una differenza di potenziale applicata ad un conduttore, nel conduttore scorre una corrente diretta dal potenziale maggiore all’altro potenziale! Per quanto detto sopra, se collegassimo agli estremi di un conduttore un dispositivo tale da fornire senza interruzione una differenza di potenziale, circolerà continuamente una corrente nel conduttore.

Polarità effettiva della tensione con verso effettivo della corrente

Seguendo lo schema di Figura 3, il verso effettivo della corrente è diretto dalla sfera negativa alla sfera positiva, ossia la corrente proviene dalla sfera che contiene elettroni rispetto alla sfera positiva, appunto detta positiva poiché ha cariche elettriche positive in eccesso. Quindi, tenendo conto del verso effettivo della corrente, finché perdura il passaggio della corrente, possiamo dire che esiste una tensione V che ha una polarità con il segno - sulla sfera negativa A e il segno + sulla sfera positiva B. La freccia orientata verso la sfera A sta ad indicare il potenziale elettrico negativo da cui parte la corrente.

Figura 3: Polarità della tensione con verso effettivo della corrente

Polarità convenzionale della tensione con verso convenzionale della corrente

Tenendo conto del verso convenzionale della corrente, ossia la corrente delle cariche elettriche positive provenienti dalla sfera positiva e dirette verso la sfera negativa, in questo caso la polarità della tensione è inversa alla precedente indicata dalla freccia in Figura 3, ovvero è orientata verso il +, come mostrato in Figura 4. Quindi, la polarità della tensione deve intendersi convenzionale e la corrente convenzionale delle cariche elettriche positive si sposta partendo dal polo positivo, considerato di potenziale maggiore rispetto a quello negativo. Il verso degli elettroni sarà opposto al verso convenzionale della corrente.

Figura 4: Polarità della tensione V con verso convenzionale della corrente

Da quanto detto, bisogna tener presente che nelle formule e nella teoria dei circuiti viene sempre considerato convenzionale il verso della corrente e la polarità della tensione. In generale, nel caso della corrente effettiva, la differenza di potenziale fra il potenziale A e il potenziale B sarà maggiore di zero, ossia A - B > 0, allora A ha un potenziale maggiore del potenziale di B e la corrente scorrerà da A verso B; viceversa, nel caso della corrente convenzionale, sarà A – B < 0, B ha un potenziale maggiore di A e la corrente scorrerà da B verso A.

Il Generatore elettrico

Diversamente da quello che pensiamo e dal nome stesso di questo dispositivo, il Generatore elettrico non genera elettricità. La sua funzione è quella di mantenere in movimento (in circolazione) gli elettroni in un circuito elettrico e per fare questo compie un lavoro, ossia consuma energia. Ma andiamo a vedere come funziona il Generatore ragionando con il verso effettivo della corrente elettrica. Come vedete, certe volte si usa il verso non convenzionale della corrente.

Abbiamo compreso dalla descrizione del funzionamento del sistema elettrico di Figura 3 e Figura 4 che la corrente fluisce nel conduttore dalla sfera negativa (che chiamiamo polo negativo) alla sfera positiva (che chiamiamo polo positivo). Lo scorrere degli elettroni nel conduttore continua finché si mantiene una differenza di potenziale (o una tensione V) ai suoi estremi. Quando le due sfere hanno la stessa carica elettrica, ossia quando gli elettroni hanno occupato il posto dell’equivalente numero di cariche positive, viene raggiunto l’equilibrio elettrico del sistema, la differenza di potenziale è nulla (V=0) e la corrente non fluisce più nel conduttore.

Ora, supponiamo di voler mantenere la circolazione di corrente di elettroni nel conduttore senza interruzione, come si fa? Dobbiamo inserire fra le due sfere qualcosa che consenta di non interrompere il flusso di elettroni. Riprendiamo lo schema di Figura 3 e lo modifichiamo come mostrato in Figura 5 mettendo le due sfere in un contenitore “speciale” al cui interno agiscono delle forze che con la loro azione consentono di ottenere ciò che desideriamo, ossia la circolazione continua degli elettroni nel conduttore. Questo insieme di cose lo chiamiamo Generatore elettrico.

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