La legge di Ohm

La prima legge di Ohm (dal fisico tedesco George Simon Ohm) afferma che la differenza di potenziale (tensione) applicata ai capi di un conduttore è direttamente proporzionale all’intensità di corrente che in esso circola; la costante di proporzionalità prende il nome di resistenza e rappresenta la tendenza di un conduttore a ostacolare il passaggio della corrente elettrica. Nel Sistema internazionale, la resistenza si misura in ohm (Ω). 1V/1A=1Ω

La legge di Ohm stabilisce in maniera molto semplice le relazioni esistenti tra le seguenti tre grandezze elettriche: tensione ( V ), Corrente ( I ) e resistenza (R).

Circuiti elettrici

Definiamo circuito elettrico un insieme di corpi conduttori circondati da mezzi isolanti in modo che l’eventuale corrente elettrica scorra solo ( o solo per la maggior parte)  attraverso di essi e non nel mezzo esterno che li circonda.

Diciamo che un circuito è chiuso se al suo interno può circolare una corrente; un circuito è,  invece, aperto se nell’ insieme di conduttori che lo costituisce vi è un’ interruzione tale da impedire il passaggio di corrente.

esempio di circuito chiuso:

esempio di circuito aperto:

definizione di cortocircuito

Il cortocircuito ideale è il collegamento tra due punti di un circuito elettrico con un conduttore di resistenza nulla. Un cortocircuito reale è il collegamento tra i due punti del circuito con un conduttore di resistenza molto inferiore a quella del generatore che mantiene la tensione i due punti. La corrente che si ha è la massima corrente che il generatore può erogare. Può essere provocato in vari modi: ad esempio dalla rottura dell'isolante dei conduttori e dal loro contatto conseguente.

Generatore di corrente e di tensione

Un generatore di corrente è un bipolo che mantiene una corrente elettrica fra i suoi morsetti. In elettrotecnica il generatore ideale di corrente è un ipotetico dispositivo in grado di mantenere una intensità di corrente costante (o comunque un prefissato andamento in funzione del tempo) fra i suoi poli.

La differenza di potenziale ai capi di un generatore di corrente può, in linea di principio, essere grande a piacere e variare in modo impulsivo.

Un generatore di tensione è un bipolo che mantiene una differenza di potenziale elettrico fra i suoi morsetti e, quindi, produce forza elettromotrice.

Un'astrazione comunissima in elettrotecnica è il generatore ideale di tensione: un ipotetico dispositivo in grado di mantenere una tensione costante (o comunque un prefissato andamento in funzione del tempo) fra i suoi poli indipendentemente dall'intensità di corrente. In virtù della legge di Ohm, se si collegassero i poli di un simile dispositivo ad un cortocircuito si produrrebbe un flusso di corrente infinito.

TENSIONE

Per spiegare il significato di tensione usiamo un semplice esempio: due serbatoi di acqua sono collegati con un tubo. Se il livello A nel primo serbatoio è identico al livello B del secondo non si ottiene alcun movimento, mentre una differente altezza  provoca il passaggio di acqua dal serbatoio col livello più alto a quello col livello più basso. Si deduce che per ottenere il movimento si ha bisogno di una differenza di altezza.Negli impianti elettrici al posto del tubo abbiamo il cavo elettrico e al posto dell'acqua abbiamo la corrente elettrica. La differenza non è più di altezza, ma di potenziale elettrico. Questa differenza di potenziale (d.d.p.) prende il nome di tensione.
Se aumentiamo la differenza di altezza, l'acqua scorre con più velocità. Allo stesso modo se aumentiamo la tensione aumenta l'intensità di corrente.

definizione di differenza di potenziale: per misurare la d.d.p. (simbolo U) tra due punti di un circuito si ricorre ad una nuova unità di misura il Volt (V). La d.d.p. tra due punti es. A e B di un circuito si misura dall’energia, espressa in Joule, che occorre spendere per trasportare ciascun Coulomb da un punto all’altro o che si può ottenere facendo il percorso inverso, (1 J/1C=1V)

La tensione si misura con un voltmetro posto in parallelo al  generatore o ai capi dell’apparecchio interessato o tra i punti che interessano.

Conduttori, semiconduttori e isolanti

Le sostanze che favoriscono al loro interno il passaggio della corrente elettrica sono dette conduttori; quelle invece che impediscono il passaggio della corrente sono dette isolanti.
Solo poche sostanze, principalmente i metalli, sono buoni conduttori dell’elettricità. Ciò dipende dal fatto che i metalli sono composti da atomi che hanno una struttura elettronica costituita da una serie di livelli (bande) completamente occupati ed un livello più esterno non completamente occupato, contenente uno, due o a volte anche tre elettroni di valenza . Nei metalli allo stato solido, gli elettroni di valenza sono praticamente liberi di muoversi; essi si trovano in un livello di energia più elevato: si dice che sono in banda di conduzione.
Un campo elettrico applicato al metallo, anche se piccolo, produce un moto di deriva e quindi una corrente elettrica.
In molte sostanze tuttavia, gli elettroni di valenza sono legati agli ioni positivi del reticolo. A causa della mancanza di elettroni liberi e quindi di portatori di carica, in queste sostanze è molto difficile produrre una corrente elettrica ; queste sostanze sono chiamate dielettrici e sono isolanti.
Vi è un’altra categoria di sostanze, chiamate semiconduttori costituite da materiali che hanno un comportamento diverso sia dai conduttori che dagli isolanti. In essi gli elettroni riempiono tutta la banda di valenza e non vi sono elettroni “liberi” nella banda di conduzione, proprio come negli isolanti. Nei semiconduttori, però, l’energia necessaria per far passare un elettrone dalla banda di valenza a quella di conduzione è circa da 1/5 a 1/10 dell’energia di eccitazione di un isolante.
Un aumento di temperatura può avere l’effetto di liberare alcuni elettroni dai loro legami e mandarli in banda di conduzione. I semiconduttori hanno quindi una conducibilità elettrica.
I semiconduttori più usati sono germanio, silicio, tellurio.

tabella materiali conduttori

Materiale Resistività a 0 °C Coeff. di temperatura CONDUTTORI Argento Rame elettrolitico Rame Bronzo fosforoso Oro Alluminio Tungsteno Ottone Ferro puro Platino Ferro dolce Stagno Piombo Argentana Manganina Ferro-silicio Costantana Ferro-nichel Mercurio Nichel-cromo 0,015 0,016 0,017 0,018 0,021 0,028 0,050 0,085 0,100 0,103 0,13 0,13 0,20 0,35 0,40 0,50 0,50 0,80 0,94 1 0,0036 0,0042 0,0043 0,0040 0,0036 0,0043 0,0042 0,0039 0,0050 0,0036 0,0048 0,0045 0,0043 0,00017 0,00001 0,001 0,000008 0,0007 0,00089 0,0001    Il coefficiente di temperatura a0 viene fornito per una temperatura di riferimento di 0 °C. Qualora si abbia una temperatura di riferimento f °C, il nuovo valore di af si ricava dalla formula: af =  a0 / 1 + a0 x f Tabella semiconduttori

Multipli e sottomultipli, unità fondamentali e derivate nel Sistema Internazionale

Sistema Internazionale-prefissi fattore di  moltiplicazione prefisso simbolo valore 10 24  yotta Y  1 000 000 000 000 000 000 000 000  10 21  zetta Z  1 000 000 000 000 000 000 000  10 18  exa E  1 000 000 000 000 000 000  10 15  peta P  1 000 000 000 000 000  10 12  tera T  1 000 000 000 000  10 9  giga G  1 000 000 000  10 6  mega M  1 000 000  10 3  chilo k  1 000  10 2  etto h  100  10 1  deca da  10  10 -1  deci d  0.1 10 -2  centi c  0.01 10 -3  milli m  0.001 10 -6  micro µ  0.000 001 10 -9  nano n  0.000 000 001 10 -12  pico p  0.000 000 000 001 10 -15  femto f  0.000 000 000 000 001 10 -18  atto a  0.000 000 000 000 000 001 10 -21  zepto z  0.000 000 000 000 000 000 001 10 -24  yocto y  0.000 000 000 000 000 000 000 001 Unità fondamentali

Grandezza fisica	Simbolo della grandezza	Nome dell'unità SI	Simbolo dell'unità SI
lunghezza	l	metro	m
massa	m	chilogrammo	kg
intervallo di tempo	t	secondo	s
Intensità di corrente	I, i	ampere	A
temperatura assoluta	T	kelvin	K
quantità di sostanza	n	mole	mol
intensità luminosa	Iv	candela	cd

Unità derivate

Grandezza fisica	Simbolo della grandezza	Nome dell'unità SI	Simbolo dell'unità SI	Equivalenza in termini di unità fondamentali SI
Nomi e simboli speciali
frequenza	f, ν	hertz	Hz	s−1
forza	F	newton	N	kg · m · s−2
pressione, sollecitazione, pressione di vapore	p	pascal	Pa	N · m−2	= kg · m−1 · s−2
energia, lavoro, calore	E, Q	joule	J	N · m	= kg · m2 · s−2
potenza, flusso radiante	P, W	watt	W	J · s−1	= kg · m2 · s−3
carica elettrica	q	coulomb	C	A · s
potenziale elettrico, forza elettromotrice, tensione elettrica	V, E	volt	V	J · C−1	= m2 · kg · s−3 · A−1
resistenza elettrica	R	ohm	Ω	V · A−1	= m2 · kg · s−3 · A−2
conduttanza elettrica	G	siemens	S	A · V−1	= s3 · A2 · m−2 · kg−1
capacità elettrica	C	farad	F	C · V−1	= s4 · A2 · m−2 · kg−1
densità flusso magnetico	B	tesla	T	V · s · m−2	= kg · s−2 · A−1
flusso magnetico	Φ(B)	weber	Wb	V · s	= m2 · kg · s−2 · A−1
induttanza	L	henry	H	V · s · A−1	= m2 · kg · s−2 · A−2
temperatura	T	grado Celsius	°C	K[2]
angolo piano[3]	φ, θ	radiante	rad	1	= m · m−1
angolo solido[3]	Ω	steradiante	sr	1	= m2 · m−2
flusso luminoso		lumen	lm	cd · sr
illuminamento		lux	lx	cd · sr · m−2
rifrazione	D	diottria	D	m−1
attività di un radionuclide [4]	A	becquerel	Bq	s−1
dose assorbita	D	gray	Gy	J · kg−1	= m2 · s−2
dose equivalente	H	sievert	Sv	J · kg−1	= m2 · s−2
dose efficace	E	sievert	Sv	J · kg−1	= m2 · s−2
attività catalitica		katal	kat	mol · s−1
Altre grandezze
area	A	metro quadro		m2
volume	V	metro cubo		m3
velocità	v	metro al secondo		m · s−1
velocità angolare	ω			s−1 rad · s−1
accelerazione	a			m · s−2
momento torcente				N · m	= m2 · kg · s−2
numero d'onda	n			m−1
densità	ρ			kg · m−3
volume specifico				m3 · kg−1
molarità SI[5]				mol · dm−3
volume molare	Vm			m3 · mol−1
capacità termica, entropia	C, S			J · K−1	= m2 · kg · s−2 · K−1
calore molare, entropia molare	Cm, Sm			J · K−1 · mol−1	= m2 · kg · s−2 · K−1 · mol−1
calore specifico, entropia specifica	c, s			J · K−1 · kg−1	= m2 · s−2 · K−1
energia molare	Em			J · mol−1	= m2 · kg · s−2 · mol−1
energia specifica	e			J · kg−1	= m2 · s−2
densità di energia	U			J · m−3	= m−1 · kg · s−2
tensione superficiale	σ			N · m−1	= J · m−2 = kg · s−2
densità di flusso calorico, irradianza	σ			W · m−2	= kg · s−3
conduttività termica				W · m−1 · K−1	= m · kg · s−3 · K−1
viscosità cinematica, coefficiente di diffusione	η			m2 · s−1
viscosità dinamica	ρ			N · s · m−2	= Pa · s = m−1 · kg · s−1
densità di carica elettrica				C · m−3	= m−3 · s · A
densità di corrente elettrica	j			A · m−2
conduttività elettrica	ρ			S · m−1	= m−3 · kg−1 · s3 · A2
conduttività molare	ρ			S · m2 · mol−1	= kg−1 · mol−1 · s3 · A2
permittività elettrica	ε			F · m−1	= m−3 · kg−1 · s4 · A2
permeabilità magnetica	μ			H · m−1	= m · kg · s−2 · A−2
(intensità) di campo elettrico	F, E			V · m−1	= m · kg · s−3 · A−1
(intensità) di campo magnetico	H			A · m−1
magnetizzazione	M			A · m−1
luminanza		[6]		cd · m−2
esposizione (raggi X e gamma)				C · kg−1	= kg−1 · s · A
tasso di dose assorbita				Gy · s−1	= m2 · s−3

Principi fisici dell’elettricità, definizione di carica e corrente elettrica.

I primi studi dei fenomeni risalgono probabilmente al filosofo greco Talete, che studiò le proprietà elettriche dell'ambra, la resina fossile che se viene sfregata attrae altri pezzetti di materia: il suo nome greco era electron (ἤλεκτρον), e da questo termine deriva la parola «elettricità».

 

La carica elettrica: si dimostra sperimentalmente che se strofiniamo una bacchetta di plastica su di un panno essa è in grado di attrarre dei pezzettini di carta. Questo fatto noi lo giustifichiamo dicendo che la bacchetta di plastica si è caricata di elettricità negativa, cioè ha acquistato una carica elettrica negativa durante lo strofinio con il panno. Quando noi avviciniamo la bacchetta alla carta, si verifica che la carta si carica di elettricità positiva e viene attirata dalla bacchetta di plastica. Quindi l'esperienza ci dice che esistono delle cariche elettriche. La carica elettrica può essere di segno positivo, che indichiamo con + o di segno negativo che indichiamo con il - . La carica elettrica si misura in Coulomb, che si abbrevia con la lettera C. Un elettrone possiede una carica elettrica negativa di 1,6 . 10-19 C

La corrente elettrica è un qualsiasi flusso ordinato di carica elettrica, tipicamente attraverso un filo metallico o qualche altro materiale conduttore per un tempo prolungato. La corrente convenzionale venne definita inizialmente, nella storia dell'elettricità, come il flusso di carica positiva, anche se sappiamo, nel caso della conduzione metallica, che la corrente è causata dal flusso di elettroni con carica negativa nella direzione opposta. Nonostante ciò, l'originale definizione di corrente convenzionale resta valida. Il simbolo normalmente usato per la quantità di corrente (la quantità di carica che scorre nell'unità di tempo) è I, e l'unità di misura nel SI per l'intensità di corrente elettrica è l'ampere A vale a dire in coulomb/secondo

la legge di Coulomb è data da F(forza di attrazione o repulsione) esercitata fra i due corpi puntiformi sui quali risiedono rispettivamente le cariche q1 e q2 è direttamente proporzionale al valore delle cariche, inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza d e dipende dal mezzo che li separa tramite la costante di proporzionalità diretta k

F=k q1 q2/d^2

una buona analogia per comprendere i fenomeni elettrici è data dall’idraulica: la portata di un fiume, ad esempio, è definita come la quantità d’acqua che fluisce nell’unità di tempo;       in elettrotecnica l’intensità della corrente elettrica è il rapporto fra la quantità di elettricità che fluisce attraverso la sezione di un conduttore e l’unità di tempo. La quantità di  elettroni viene misurata in Coulomb [C] : 1 Coulomb=6,25 .10^18 elettroni, in un secondo equivale a 1 ampere supportata dalla seguente relazione: Q=I.t che significa che la quantità di elettricità Q è il prodotto della corrente I per il tempo t in cui essa fluisce.

Nei conduttori metallici, come i cavi elettrici, la corrente è causata da un flusso di elettroni (particelle a carica negativa), ma non è così nella maggior parte dei conduttori non metallici. La corrente elettrica negli elettroliti è data dal flusso di atomi e/o molecole elettricamente cariche (ioni), che possono essere sia negativi che positivi. Ad esempio, una cella elettrochimica può essere costruita con acqua salata (una soluzione di cloruro di sodio) su un lato della membrana, ed acqua pura dall'altra parte. La membrana fa passare gli ioni di sodio con carica positiva, ma non quelli di cloro con carica negativa, il risultato netto è una corrente. Le correnti elettriche nel plasma, sono flussi di elettroni, così come di ioni positivi e negativi. Nell'acqua ghiacciata e in alcuni solidi elettrolitici, la corrente è costituita da un flusso di protoni.

Strumenti di misura

• Amperometro
• Galvanometro
• Multimetro

ELETTROTECNICA-ELETTRONICA

 

Sistema Internazionale: prefissi, unità fondamentali e derivati

L’atomo e le sue particelle

Principi fisici dell’elettricità definizione di carica e corrente elettrica

Introduzione ai conduttori, semiconduttori, isolanti

Generatore di corrente e di tensione

Definizione di circuiti elettrici

Legge di Ohm

L’atomo e le sue particelle

la conoscenza della reale struttura dell'atomo è una conquista relativamente recente.

Ciò che oggi chiamiamo atomo (àtomoi=senza divisione), lungi dall'essere l'indivisibile di cui teorizzava Democrito, è un sistema complesso di particelle subatomiche e forze controbilancianti.

La struttura atomica. L'atomo è composto da un nucleo a carica elettrica positiva e da uno o più elettroni a carica elettrica negativa che orbitano attorno ad esso (in realtà gli elettroni, seguendo le leggi della meccanica quantistica, non seguono un'orbita ellittica e regolare come i pianeti, ma formano un caotico e irregolare intreccio di scie ad altassima velocità che avvolgono il nucleo atomico in una sorta di nube).

Il nucleo atomico, a sua volta, è composto da due tipi di particelle: i protoni e i neutroni. I protoni hanno carica elettrica positiva e i neutroni carica elettrica nulla.

Visto e considerato che l'atomo ha complessivamente una carica elettrica nulla, i protoni sono sempre accompagnati da un uguale numero di elettroni in modo da annullare a vicenda le rispettive cariche.

E interessante sapere come le dimensioni del nucleo siano estremamente minime rispetto al limite delle orbite tracciate dagli elettroni: se paragoniamo le dimensioni di un atomo alle dimensioni di una stanza, il nucleo sarà grande più o meno come una briciola di pane e gli elettroni compiranno le loro orbite rasentando i muri.

L’elettrone:

Delle tre particelle che costituiscono gli atomi, l'elettrone è di gran lunga il più leggero ed il più piccolo. Per avere un idea del suo peso dobbiamo pensare che ci vorrebbero dieci miliardi di miliardi di miliardi di elettroni per fare un solo grammo di materia! La sua massa è infatti:

m_e = 9.1 × 10^-28 gr

la carica: L'elettrone ha una carica elettrica di −1,6021765 × 10⁻¹⁹ C, (quest'ultimo valore corrisponde a 1/1836 della massa del protone). Il simbolo comunemente utilizzato per indicare l'elettrone è e⁻. La vita media dell'elettrone supera i 4,6 × 10²⁶ anni.

Nel sistema SI l'unità di carica è il Coulomb. La carica misurabile più piccola è quella trasportata dall'elettrone.

Il protone:

Il protone è una particella dotata di carica elettrica positiva che può esistere libera o legata in un nucleo atomico. Il valore della sua carica è uguale a quello dell'elettrone, ma di segno opposto: 1,602 × 10^-19 coulomb approssimativamente 1836 volte la massa dell'elettrone.

La massa di un atomo è quindi quasi interamente concentrata nel nucleo. Ha momento angolare intrinseco, o spin, semintero, e obbedisce pertanto al principio di esclusione di Pauli.

I protoni sono costituenti essenziali della materia ordinaria e, come tali, sono stabili su tempi di miliardi o migliaia di miliardi di anni.

Il neutrone:

il neutrone è una particella subatomica senza carica elettrica e con massa a riposo di 939,57 MeV (leggermente superiore a quella del protone, pari a 938,27 MeV).

I nuclei atomici degli elementi (ad eccezione del più comune isotopo dell'idrogeno, che consiste di un singolo protone) sono composti da protoni e neutroni.

Al di fuori del nucleo, i neutroni sono instabili ed hanno una emivita di circa 15 minuti. Decadono in un protone, emettendo un elettrone e un antineutrino, secondo la reazione: