In questa lezione scopriremo come si muovono le cariche elettriche nei conduttori, quali grandezze descrivono questo movimento e come si combinano in un circuito per produrre effetti utili, dall'illuminazione di una lampadina al funzionamento di un computer.
Che cos'è la corrente elettrica
Quando colleghiamo una pila a una lampadina con due fili di rame, succede qualcosa di invisibile ma straordinario: gli elettroni liberi del metallo si mettono ordinatamente in movimento lungo il filo. Questo movimento ordinato di cariche elettriche prende il nome di corrente elettrica e si misura in ampere, simbolo A. La sua definizione fisica è la quantità di carica che attraversa una sezione del conduttore nell'unità di tempo, ovvero I = Q/t, dove Q è la carica in coulomb e t è il tempo in secondi. Un ampere corrisponde dunque a un coulomb di carica che passa ogni secondo, un numero enorme se pensiamo che un coulomb equivale a circa 6,24 miliardi di miliardi di elettroni. Per convenzione storica, ereditata dai tempi di Franklin, si assume che la corrente fluisca dal polo positivo al polo negativo, mentre in realtà nei metalli sono gli elettroni a muoversi in verso opposto. Un esempio quotidiano è il caricabatterie del telefono: l'etichetta riporta spesso 2 A, il che significa che, mentre carichi lo smartphone, due coulomb di carica entrano nella batteria ogni secondo.
La tensione e il ruolo del generatore
Perché le cariche si muovano è necessario qualcosa che le spinga, esattamente come l'acqua scorre solo se c'è un dislivello fra due punti del tubo. Questa spinta elettrica si chiama tensione, o differenza di potenziale, ed è misurata in volt, simbolo V, in onore di Alessandro Volta. La tensione rappresenta l'energia che il generatore fornisce a ogni coulomb di carica e si esprime come V = E/Q, dove E è l'energia in joule. Un generatore ideale, come una pila stilo da 1,5 V o la batteria di un'automobile da 12 V, mantiene costante questa differenza di potenziale tra i suoi due poli, indipendentemente da quanto corrente scorre. Nella vita di tutti i giorni distinguiamo tensioni piccole e relativamente sicure, come quelle delle batterie portatili, da quelle elevate e potenzialmente letali della rete domestica, che in Italia è di 230 V. Pensa a uno scivolo del parco giochi: l'altezza dello scivolo è come la tensione, mentre il numero di bambini che scendono al secondo ricorda la corrente.
La resistenza e la prima legge di Ohm
Non tutti i materiali lasciano passare la corrente con la stessa facilità: il rame e l'argento conducono benissimo, mentre la gomma e il vetro sono ottimi isolanti. Per misurare quanto un componente si oppone al passaggio della corrente si introduce la resistenza, indicata con R e misurata in ohm, simbolo Ω. La prima legge di Ohm stabilisce un legame semplice e potente fra le tre grandezze fondamentali: V = R · I, da cui ricaviamo anche I = V/R e R = V/I. Una resistenza elevata, a parità di tensione, lascia passare poca corrente, proprio come un tubo stretto rallenta lo scorrere dell'acqua. Per fare un esempio concreto, una lampadina da automobile con resistenza di 6 Ω, collegata alla batteria da 12 V, è attraversata da una corrente di 2 A. Esiste poi la seconda legge di Ohm, che spiega da cosa dipende la resistenza di un filo conduttore: R = ρ · L/S, dove ρ è la resistività del materiale, L la lunghezza e S la sezione del filo, motivo per cui i cavi di prolunga molto lunghi e sottili scaldano più del dovuto.
Circuiti in serie e in parallelo
Quando in un circuito sono presenti più resistori, il modo in cui li colleghiamo cambia profondamente il comportamento del sistema. Nel collegamento in serie i resistori sono disposti uno dopo l'altro lungo lo stesso filo: la corrente è la stessa in tutti, mentre le tensioni si sommano e la resistenza equivalente è R_eq = R₁ + R₂ + ... + Rₙ. Nel collegamento in parallelo, invece, ogni resistore ha i due estremi collegati agli stessi nodi: la tensione è uguale su ciascuno, le correnti si sommano e l'inverso della resistenza equivalente vale 1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂ + ... + 1/Rₙ. Per esempio, due resistori da 6 Ω in serie diventano un'unica resistenza equivalente da 12 Ω, mentre in parallelo si riducono a 3 Ω, un valore minore del più piccolo dei due. Nell'impianto elettrico di casa i vari elettrodomestici sono collegati in parallelo, così ognuno riceve i suoi 230 V e può essere acceso o spento indipendentemente dagli altri. Le vecchie lucine dell'albero di Natale, invece, erano spesso in serie: bastava che una lampadina si bruciasse perché tutte le altre si spegnessero, come se un anello rotto interrompesse l'intera catena.
La potenza e l'effetto Joule
Quando la corrente attraversa un resistore, l'energia elettrica fornita dal generatore non scompare ma si trasforma quasi sempre in calore: è il celebre effetto Joule, alla base del funzionamento di stufette, ferri da stiro, asciugacapelli e fornelli a induzione. La potenza dissipata, cioè l'energia trasformata ogni secondo, si calcola con la formula P = V · I e si misura in watt, simbolo W. Combinando questa relazione con la legge di Ohm otteniamo due forme molto utili: P = R · I² e P = V²/R, da scegliere secondo le grandezze che già conosciamo. Per esempio, una stufetta elettrica da 2000 W collegata alla rete a 230 V assorbe una corrente di circa 8,7 A, valore che ci aiuta a capire perché non dobbiamo collegare troppi elettrodomestici sulla stessa presa. L'energia consumata in un certo intervallo di tempo, infine, si calcola come E = P · t e si esprime spesso in kilowattora, kWh, l'unità che troviamo nelle bollette di casa. Un kWh corrisponde all'energia consumata da un elettrodomestico da 1000 W acceso per un'ora, quanto basta per stirare una camicia o lavare metà carico di piatti.
Ricorda
I punti chiave da fissare bene sono questi:
- La corrente I si misura in ampere ed è la carica per unità di tempo, mentre la tensione V si misura in volt e rappresenta l'energia per ogni coulomb di carica.
- La prima legge di Ohm collega le tre grandezze fondamentali con V = R · I; conoscendone due, ricavi sempre la terza.
- In serie sommi le resistenze e la corrente è la stessa; in parallelo sommi gli inversi e la tensione è la stessa, ottenendo una resistenza minore di ciascun ramo.
- La potenza dissipata vale P = V · I e si esprime in watt, mentre l'energia consumata in un intervallo di tempo si misura in kilowattora.
Piccolo esercizio di verifica da svolgere sul quaderno: un asciugacapelli riporta sull'etichetta 1500 W e funziona a 230 V. Calcola la corrente assorbita, la resistenza del suo elemento riscaldante e l'energia consumata, espressa in kWh, se lo usi per dieci minuti ogni mattina per una settimana. Verifica infine che, raddoppiando la tensione di alimentazione, la potenza dissipata quadruplica.