Durante lo svolgimento delle lezioni di laboratorio mi sono reso conto che spesso gli allievi hanno forti dubbi su alcuni concetti fondamentali di fisica che avrebbero dovuto far propri negli anni precedenti e come ogni anno scolastico è il caso di riprenderli per procedere agevolmente nello studio. Queste carenze si manifestano non appena si incomincia a sperimentare in laboratorio cercando di misurare tensioni, correnti e resistenze.
E’ tipico ad esempio confondere o non ricordare i significati di quantità di elettricità, corrente elettrica o differenza di potenziale che devono essere considerati i mattoni fondamentali su cui costruire la propria competenza in elettronica e di conseguenza le proprie abilità nella progettazione e realizzazione di dispositivi elettronici in laboratorio.

In questa lezione cercherò di unire concetti già pubblicati su questo sito inserendo nuove spiegazioni in cui utilizzerò l’analogia idraulica. Partirò dalla struttura atomica per giungere al significato di corrente elettrica e di forza elettro-motrice.

La lezione è da considerare un ripasso necessario.

L’elettricità è qualcosa che usiamo ogni giorno ed è così comune nella nostra vita che non ci chiediamo da dove provenga, è un bene di prima necessità così importante che ci accorgiamo della sua importanza solamente quando non è presente, pensate all’impotenza che si ha quando ad esempio si interrompe l’erogazione di energia elettrica nella nostra abitazione. Nell’ambito dell’elettronica è importante conoscere la teoria fisica fondamentale.

La teoria dell’elettrone

La teoria fondamentale afferma che l’elettricità è il movimento di elettroni e tale movimento sia causato da un eccesso o da una mancanza di elettroni in un determinato punto.

Struttura atomica

Tutta la materia è costituita da unità elementari chiamati atomi che possiamo considerare come mattoni che costituiscono tutto ciò che ci circonda.
L’atomo è costituito da un nucleo composto da protoni che possiedono una carica positiva e da neutroni che non hanno carica e da particelle dette elettroni, carichi negativamente, che ruotano su orbite intorno al nucleo secondo orbite circolari o ellittiche, in modo approssimato possiamo immaginare l’atomo come ad un minuscolo sistema solare.

Ad esempio l’atomo del rame è costituito da 29 elettroni, 35 neutroni e 29 protoni.

Un atomo normale ha un numero uguale di elettroni e protoni e la carica positiva e negativa si annullano a vicenda, si dice che l’atomo è elettricamente neutro.
Tuttavia è possibile per atomo perdere o guadagnare un elettrone e ciò cambia l’equilibrio.
Se perde un elettrone vuol dire che l’atomo sarà più positivo che negativo, un atomo carico positivamente si chiama ione positivo.
Se l’atomo invece guadagna un elettrone vorrà dire che è più negativo che positivo, in questo caso l’atomo viene detto ione negativo.

Gli atomi e gli elettroni sono in continuo movimento nella materia, tuttavia il movimento degli elettroni liberi da un atomo all’altro e casuale senza una particolare direzione. Questo movimento di elettroni non costituisce un flusso di elettroni. Per avere un flusso di elettroni è necessario che ci sia un movimento continui in cui la maggior parte degli elettroni liberi si muove nella stessa direzione.

Vi propongo la visione del filmato che segue dal titolo: La struttura dell’atomo (storia), tratto da “Pulsar – storia della scienza e della tecnica del XX secolo”, di E. Agapito, V. Armentano, P. Greco; regia di E. Agapito – 1999.

Unità di carica elettrica o di quantità elettrica

Come il chilogrammo (Kg.) è stato scelto come unità di massa e di quantità di materia (ad es. acqua) così il

COLOUMB (C)

è stao scelto come unità di quantità di elettricità o di carica elettrica.

Unità di carica dell’elettrone

Così come la molecola è la parte più piccola di un elemento chimico o composto chimico, così l’elettrone e la parte più piccola di elettricità:

• in un chilogrammo di acqua si trovano [pmath size=16]3,25*10^25[/pmath] molecole
• in un coloumb di elettricità si trovano [pmath size=16]6,25*10^18[/pmath] elettroni

Potenziale della carica elettrica

Come ben sapete per produrre energia elettrica l’acqua viene innalzata per farle acquistare un potenziale (in metri di altezza) così anche l’elettricità può venir innalzata per farle acquistare un potenziale (in volt di tensione elettrica).

• in volt si misura il livello di carica elettrica
• in metri si misura il livello della quantità di acqua

Movimento delle cariche elettriche

Come l’acqua scorre da una altezza maggiore a quella minore e la sua portata viene misurata in

chilogrammi al secondo (o litri al secondo)

così anche l’elettricità scorre dal potenziale maggiore a quello minore e la sua corrente elettrica si misura in

coloumb al secondo

e questa unità di misura prende il nome di Ampere (A).

A differenza dell’acqua che può essere tolta da una tubazione, gli elettroni sono sempre presenti in qualunque materiale ed in particolare nei conduttori anche quando non c’è passaggio di corrente.

Approfondiamo i concetti di corrente elettrica e potenziale elettrico.

Corrente elettrica

Per avere un flusso di elettroni è necessario che ci sia un movimento continuo in cui gran parte degli elettroni liberi si muove nella stessa direzione.

Se si crea un percorso che permette di far muovere gli elettroni da un materiale carico negativamente ad uno carico positivamente allora gli elettroni potranno fluire, quando ciò accade si dice che si ha una corrente elettrica ed il fluire di cariche elettriche continuerà fino a quando il percorso non viene interrotto oppure finchè la carica elettrica non è la stessa per entrambi i materiali.

Per avere una corrente misurabile è indispensabile che vi sia un movimento di una grande quantità di elettroni, dell’ordine del milione.

L’unità di misura della corrente elettrica è l’Ampere.

Un flusso di corrente di 1 Ampere corrisponde al movimento di [pmath size=16]6,25*10^18[/pmath] elettroni al secondo che passano in un un determionato punto.

Se non siete pratici con la notazione scientifica vi ricordo che il numero [pmath size=16]6,25*10^18[/pmath] corrisponde a 6.250.000.000.000.000.000 piuttosto grande non trovate ? 🙂

Direzione del flusso degli elettroni

Abbiamo detto che la corrente è un flusso di elettroni e questo flusso va sempre da un punto ad eccesso di elettroni, carico negativamente (-), verso un punto che non ha elettroni, carico positivamente (+).
Fate attenzione però che questa affermazione è vera se si considera la corrente come flusso di elettroni ciò che accade realmente nei conduttori.

Prima che si conoscesse la teoria dell’elettrone si pensava che la corrente fluisse dal (+) al (-) ed la simbologia di alcuni componenti riflette ancora questa teoria e quindi viene considerato che il verso della corrente è quello delle cariche positive da un punto a potenziale positivo (+) a quello a potenziale (-), quindi nonostante ciò la definizione originale di corrente elettrica resta ancora valida e viene oggi usata e quindi nella lettura e risoluzione di schemi elettrici considererete sempre il verso del flusso convenzionale di corrente.

Sorgenti di elettricità

Per far si che vi sia una corrente che fluisca continuamente è indispensabile una forma di energia che continuamente ponga in moto le cariche positive (secondo il flusso convenzionale).

Le sorgenti di energia elettrica possono essere di diverso tipo:

Attrito
Lo strofinamento di materiali, come visto nella lezione precedente, determina la formazione di cariche; probabilmente tale situazione è stata da voi sperimentata quando passeggiate su alcuni tipi di tappeti.

Azione chimica
Una batteria elettrica utilizza l’azione chimica di diversi materiali per produrre energia elettrica.

Pressione
Se su alcuni tipi di cristalli applicate una pressione è possibile produrre energia elettrica.

Calore
Il principio della termocoppia sfrutta proprio il calore applicato alla giunzione di due materiali diversi.

Magnetismo
Il movimento di un filo costituito da materiale conduttore in un campo magnetico determina il movimento degli elettroni verso un capo del filo.

Luce
Alcuni dispositivi, come le fotocellule, se colpiti da luce possono produrre energia elettrica.

Forza elettro-motrice

Precedentemente vi ho detto che un materiale può essere carico positivamente o negativamente, ma il materiale può essere anche privo di carica in questo caso diciamo che è neutro.
Quando un materiale è carico si dice che possiede un potenziale elettrico.
La differenza di potenziale elettrico tra due materiali è la forza che determina il flusso degli elettroni quando si crea un percorso per la corrente tra essi.
Questa forza è chiamata FORZA ELETTRO-MOTRICE (FEM) ed è misurata in unità chiamate volt.

La figura mostra tre piastre, la prima è caricata a un potenziale elettrico di -30V, la seconda è senza carica ed ha un potenziale elettrico di 0V, mentre la terza ha un potenziale di +30V. Tra ogniuna delle tre piastre esiste una differenza di potenziale e quindi una FEM.
La FEM tra la prima e la seconda piastra è 30V. Questa è vero anche se la seconda piastra non è carica. Tra la seconda e la terza piastra c’è ancora una differenza di potenziale o FEM di 30V. Quant’è la differenza di potenziale tra la prima e la terza piastra?

60V

La forza-elettro-motrice (FEM) è la forza che determina il flusso degli elettroni ed è misurata in volt.

Al posto di forza elettromotrice si può usare il termine tensione. I due termini significano la stessa cosa.

Analogia di comportamento dell’energia idrica con quella elettrica

Una spiegazione esaustiva del concetto di differenza di potenziale della forza elettromotrice può essere fatta facendo un’analogia con un impianto idraulico.
Per far ciò ho ripreso due disegni tratti dagli appunti di quando io ero studente 🙂 e che ben chiariscono il tutto:

Un generatore di forza motrice può essere assimilato ad una torre che regge due serbatoi ad altezze differenti e contenenti acqua:

Un generatore contiene elettricità a due diversi livelli di potenza: