In questa lezione studiamo come le cariche elettriche si muovono lungo un conduttore, quali grandezze descrivono questo movimento e come si comportano i circuiti più semplici, formati da generatori e resistori collegati in serie o in parallelo.
Quando colleghiamo i due poli di una pila ai capi di un filo metallico, gli elettroni liberi del metallo iniziano a spostarsi in modo ordinato, dando origine a quella che chiamiamo corrente elettrica. Il generatore mantiene una differenza di potenziale costante tra i suoi morsetti, fornendo l'energia necessaria per spingere le cariche lungo tutto il circuito. Senza un percorso chiuso, però, nessuna corrente può circolare: per questo motivo parliamo di circuito, cioè un anello continuo lungo il quale le cariche tornano sempre al punto di partenza. Ogni elemento del circuito, come la lampadina o la resistenza, modifica il flusso delle cariche secondo leggi precise che vedremo tra poco. Lo studio di questi fenomeni è essenziale, perché tutta la nostra tecnologia, dalle reti domestiche agli smartphone, si basa su circuiti elettrici.
Le grandezze fondamentali e la legge di Ohm
La prima grandezza da conoscere è l'intensità di corrente, indicata con la lettera I e misurata in ampere (A), che esprime la quantità di carica che attraversa la sezione di un conduttore in un secondo. Si definisce con la relazione I = Q/t, dove Q è la carica in coulomb e t il tempo in secondi: un ampere corrisponde quindi al passaggio di un coulomb al secondo. La seconda grandezza è la tensione, o differenza di potenziale, indicata con V e misurata in volt (V), che rappresenta il lavoro che il generatore compie su ogni unità di carica per spostarla tra due punti del circuito. La terza grandezza è la resistenza, indicata con R e misurata in ohm (Ω), che esprime quanto un conduttore si oppone al passaggio della corrente a causa degli urti tra elettroni e atomi del reticolo. Queste tre grandezze sono legate dalla prima legge di Ohm, V = R · I, valida per i conduttori ohmici come i metalli a temperatura costante: la tensione applicata è direttamente proporzionale alla corrente che attraversa il resistore. Per esempio, se applichiamo una tensione di 12 V ai capi di un resistore da 4 Ω, otteniamo una corrente pari a I = V/R = 12/4 = 3 A, un valore tipico di molti circuiti domestici a bassa tensione.
Resistori in serie e in parallelo, potenza ed effetto Joule
Quando più resistori vengono collegati uno dopo l'altro lungo lo stesso ramo, parliamo di collegamento in serie: in questo caso la corrente che li attraversa è la stessa per tutti, mentre la tensione totale è la somma delle tensioni ai capi di ciascuno. La resistenza equivalente di una serie si calcola sommando direttamente i valori, ossia R_eq = R_1 + R_2 + R_3 + ..., quindi aggiungere resistori in serie aumenta sempre la resistenza complessiva. Nel collegamento in parallelo, invece, i resistori condividono gli stessi due nodi e quindi sono sottoposti alla medesima tensione, mentre la corrente totale si distribuisce tra i vari rami secondo la loro resistenza. La resistenza equivalente del parallelo si ottiene dalla formula 1/R_eq = 1/R_1 + 1/R_2 + 1/R_3 + ..., e risulta sempre minore della più piccola delle resistenze collegate. Ogni resistore percorso da corrente dissipa energia sotto forma di calore, fenomeno noto come effetto Joule: la potenza dissipata si calcola con P = V · I, oppure, usando la legge di Ohm, con le formule equivalenti P = R · I² e P = V²/R. La potenza si misura in watt (W) e moltiplicata per il tempo dà l'energia, espressa in joule oppure, nella pratica domestica, in chilowattora (kWh).
Ricorda
- Le tre grandezze fondamentali sono corrente I (A), tensione V (V) e resistenza R (Ω), legate dalla prima legge di Ohm V = R · I.
- Nei collegamenti in serie la corrente è la stessa e le resistenze si sommano; in parallelo è la tensione a essere uguale e si sommano i reciproci delle resistenze.
- La potenza dissipata per effetto Joule vale P = V · I = R · I² = V²/R e rappresenta l'energia trasformata in calore ogni secondo.
- Piccolo esercizio sul quaderno: una lampadina riporta sull'involucro l'indicazione "6 V – 3 W". Calcola la corrente che la attraversa quando funziona correttamente e la sua resistenza interna, poi disegna lo schema del circuito che la alimenta con una pila da 6 V e un interruttore.