La corrente elettrica in fisica: cos'è e come si genera
Il progresso tecnologico dell’umanità è sempre stato accompagnato dalla scoperta e dalla comprensione di nuove forze e fenomeni. Uno dei concetti fondamentali che ha rivoluzionato la nostra società è stato senza dubbio la scoperta e la manipolazione della corrente elettrica. Dall’illuminazione delle nostre case all’alimentazione dei computer e degli smartphone, la corrente elettrica ha permesso l’evoluzione della società moderna in modi che i nostri antenati non avrebbero mai potuto immaginare.
Ma, cosa si nasconde dietro questo fenomeno apparentemente semplice e quotidiano? La corrente elettrica, come molte altre manifestazioni nel campo della fisica, nasce dall’interazione tra particelle microscopiche chiamate cariche elettriche. Queste cariche sono alla base di molteplici fenomeni, dai fulmini al funzionamento dei circuiti elettronici. Per comprendere a fondo l’importanza e la natura della corrente elettrica, è essenziale iniziare dalla comprensione della carica elettrica e del suo comportamento.
- Cos'è una carica elettrica
- Il movimento delle cariche
- Generatori di tensione
- Circuiti elettrici in serie
- Circuiti elettrici in parallelo
- Circuiti elettrici
- Resistenza elettrica
Cos’è una carica elettrica
Una carica elettrica è una proprietà intrinseca delle particelle fondamentali che costituiscono la materia, che dà origine alle forze elettriche e ai campi elettrici. Le particelle come elettroni e protoni possiedono cariche elettriche: gli elettroni hanno una carica negativa, mentre i protoni hanno una carica positiva e il valore di queste cariche è uguale in modulo ma opposto in segno.
Gli atomi, in condizioni normali, hanno un numero uguale di elettroni e protoni, rendendoli globalmente neutri dal punto di vista elettrico. Tuttavia, quando gli atomi perdono o guadagnano elettroni, diventano ionizzati, acquisendo una carica netta. Le cariche elettriche esercitano forze le une sulle altre: cariche dello stesso tipo (entrambe positive o entrambe negative) si respingono, mentre cariche di tipo opposto si attraggono. Questo comportamento è descritto dalla legge di Coulomb.
È importante notare che la carica elettrica è quantizzata, il che significa che esiste una quantità minima di carica che non può essere ulteriormente suddivisa. Questa quantità minima di carica è rappresentata dalla carica dell’elettrone o del protone.
La corrente elettrica, in termini semplici, è il movimento di cariche elettriche attraverso un conduttore. È generata dal movimento degli elettroni da un punto all’altro, spinti dalla differenza di potenziale (o tensione) tra questi due punti.
Il movimento delle cariche
Gli elettroni di conduzione sono le particelle che trasportano la carica nei conduttori solidi.
Se all’estremo di un conduttore c’è un eccesso di elettroni questi creano un polo negativo. Di conseguenza all’altro estremo gli elettroni in concentrazione minore creeranno un polo positivo.
Gli elettroni ai due poli hanno energia potenziale elettrica.
Il polo negativo si trova a potenziale più basso rispetto al polo positivo e dunque tra i due estremi esiste una differenza di potenziale o tensione elettrica.
La tensione elettrica genera un movimento ordinato di elettroni che fluiscono dal polo negativo al polo positivo fino a quando ai due estremi i potenziali elettrici sono uguali, cioè fino a quando si è raggiunto l’equilibrio elettrostatico.
Nel Sistema Internazionale l’unità di misura del potenziale elettrico è il volt (V) e lo strumento usato per misurarla è il voltmetro.
Generatori di tensione
Il generatore di tensione elettrica mantiene il flusso continuo di elettroni in un conduttore elettrico riportando gli elettroni al polo negativo in modo da mantenere la differenza di potenziale agli estremi.
Il movimento degli elettroni attraverso il conduttore diventa così continuo e ordinato.
Le pile sono un esempio di generatore di corrente basato su una reazione chimica che avviene all’interno del dispositivo.
Tutte le pile hanno un polo positivo (+), un polo negativo (–) e una scritta con la tensione (o voltaggio) che la pila è in grado di mantenere tra i due poli.
Il flusso continuo e ordinato di elettroni all’interno di un conduttore prende il nome di corrente elettrica. Per convenzione il verso della corrente elettrica va dal polo positivo al polo negativo.
L’intensità di corrente elettrica (i) è la quantità di carica che fluisce nell’unità di tempo attraverso la sezione di un conduttore e nel Sistema Internazionale si misura in ampere (A).
Una corrente elettrica ha l’intensità di 1 A (ampere) quando 1 C (coulomb) di carica attraversa una sezione trasversale di un conduttore in 1 s (secondo).
Dunque:
1 A = 1C/1s
che corrisponde a circa 6 miliardi di miliardi di elettroni al secondo.
L’intensità di corrente elettrica si misura con uno strumento chiamato amperometro.
Circuiti elettrici in serie
Un circuito è in serie quando le lampadine sono collegate una di seguito all’altra e la corrente le attraversa in successione.
Se togliamo una delle lampadine le altre si spengono perché si blocca il flusso di corrente.
Se viene tolta una lampadina, il circuito è interrotto e la corrente non può più passare attraverso le altre.
Circuiti elettrici in parallelo
In un circuito in parallelo le lampadine sono collegate ognuna alla pila, quindi è come se ci fossero un numero di circuiti quante sono le lampadine.
Se in un circuito inseriamo tre lampadine in parallelo e facciamo circolare la corrente ecco che le lampadine si accendono.
Quando tolgo una lampadina le altre due restano accese perché sono collegate direttamente con la pila.
Circuiti elettrici
Un circuito elettrico è costituito da:
- una PILA o GENERATORE, che mantiene tra i due poli una differenza di potenziale costante;
- un FILO METALLICO, attraverso il quale gli elettroni passano dal polo negativo al polo positivo;
- un INTERRUTTORE, che permette di aprire o chiudere il circuito;
- una LAMPADINA che assorbe la corrente.
Se chiudiamo l’interruttore in modo che nel circuito passi la corrente allora la lampadina si accende.
Se apriamo l’interruttore interrompendo il circuito, la corrente non passa e la lampadina si spegne.
I circuiti possono essere in serie o in parallelo.
Resistenza elettrica
Le cariche elettriche incontrano una resistenza quando fluiscono attraverso un conduttore.
Questa resistenza è detta resistenza elettrica (R).
La resistenza elettrica è un indice dell’opposizione dei conduttori elettrici al passaggio delle cariche elettriche.
La potenza di un conduttore elettrico è l’energia consumata nel conduttore nell’unità di tempo.
L’unità di misura della resistenza elettrica è l’Ohm e della potenza elettrica è il watt (W).