Concetti introduttivi e grandezze fondamentali

Grandezze elettriche

Le grandezze fondamentali nello studio dei circuiti elettrici sono la corrente e la tensione.

Tutti i fenomeni elettrici partono dalla presenza di cariche elettriche. In particolare, queste cariche possono essere ferme o muoversi e inoltre hanno due segni: possono infatti essere positive o negative. L’unità di misura della carica elettrica è il Coulomb $[\text{C}]$.

Le cariche positive risiedono nei nuclei degli atomi, prendono il nome di protoni e sono fisse, mentre quelle negative sono possedute dagli elettroni, che sono le uniche cariche che si muovono, poiché orbitano intorno al nucleo. Tutti i fenomeni elettrici, dunque, sono causati dal comportamento di tali cariche all’interno del materiale.

In mezzo alla grandissima e sconfinata varietà di materiali esistenti nel mondo, si distinguono tre grandi categorie elettriche:

1. conduttori
2. isolanti
3. semiconduttori

Materiali conduttori

I conduttori sono quei materiali che favoriscono i fenomeni elettrici. Tipicamente sono metalli e sono caratterizzati da una interessante e unica proprietà.

Dalle lezioni di Fisica e Chimica, sappiamo bene che i nuclei degli atomi sono fissi ai vertici di un reticolo cristallino e che non possono spostarsi dalla loro posizione. Tutto quello che gli è concesso è di vibrare leggermente intorno a questa posizione a causa della temperatura. Maggiore è la temperatura e maggiore è l’oscillazione, sia in termini di ampiezza che di velocità.

In un materiale conduttore, gli elettroni presenti nell’orbitale più esterno sono legati molto debolmente al nucleo e già alla temperatura ambiente possiedono un’energia tale da spezzare il legame che li trattiene. Quindi, in un tale materiale, come ad esempio il rame, gli elettroni più esterni sono liberi e vagano, formando come una nuvola all’interno del metallo. Si crea, dunque, una cosiddetta nube elettronica libera di andare dove vuole e che si espande fino a disporsi sulla superficie del materiale conduttore.

Questa cosa non avviene negli isolanti, dove gli elettroni sono fortemente legati ai nuclei e non possono andarsene scorrazzando liberamente in giro. Poverini.

Mettere gli elettroni in riga

Nel metallo, dunque, gli elettroni più esterni sono liberi dai legami atomici e si dispongono sulla superficie del conduttore. Quando un generatore esterno fornisce energia al metallo, gli elettroni si mettono in moto e si produce una corrente elettrica all’interno del materiale. Ecco in arrivo la prima definizione importante…

Corrente elettrica

È evidente che la causa di tale corrente è l’energia fornita dal generatore esterno.

Immaginando di misurare la quantità di carica elettrica $\Delta Q$ che attraversa una generica sezione $S$ del conduttore in un intervallo di tempo $\Delta T$, è possibile definire una grandezza che dà una misura di tale corrente, cioè la cosiddetta…

Intensità di corrente elettrica

L’intensità di corrente si misura in Ampere $[\text{A}]$, dove

$$1\,\text{A} = \frac{1\,\text{C}}{1\,\text{s}}$$

cioè quando una carica pari a $1\,\text{C}$ transita nella sezione in un intervallo di tempo pari a $1\,\text{s}$ si ottiene una intensità di corrente pari a $1\,\text{A}$.

Per ragioni storiche, il verso convenzionale della corrente è opposto a quello del movimento degli elettroni. Infatti gli scienziati che per primi studiarono il fenomeno pensavano che fosse dovuto alle cariche positive e per tale ragione quando si è capito che a muoversi erano gli elettroni si lasciò immutato il verso scelto come convenzionale per la corrente.

Tensione elettrica

Per avere una corrente elettrica ci vogliono elettroni che si muovono ma cos’è che li mette in moto?

Se facciamo il parallelo fra un elettrone e una pallina da tennis su un pendio si capisce subito che la pallina si muove solo se si trova in cima al pendio. In tal caso, la pallina possiede una quantità di energia, detta potenziale, legata all’altezza dalla base del pendio, che si tramuta in movimento quando inizia la discesa. Allo stesso modo anche l’elettrone si deve trovare in cima a un “pendio”, cioè deve possedere una quantità di energia che si può tramutare in movimento, dando origine a una corrente elettrica.

Se l’elettrone è immerso in un campo elettrico, quest’ultimo imprime alla particella una forza $F$ capace di spostarlo e sappiamo dalla Fisica che quando un corpo si sposta, in virtù di una forza applicata, si compie un lavoro dato dalla forza per lo spostamento:

Quindi il campo elettrico compie un lavoro sull’elettrone, che si sposterà in verso contrario a quello del campo. Come si vede dall’immagine seguente, una caratteristica importante del campo elettrico è che il lavoro compiuto dal campo per spostare la carica dal punto A al punto B è indipendente dal percorso utilizzato. Si dice che il campo elettrico è conservativo.

A muoversi nel campo elettrico non è un singolo elettrone ma una più generica quantità di carica $\Delta Q$, che è sottoposta al lavoro $L_{AB}$ del campo. Il legame fra le due grandezze definisce la cosiddetta tensione elettrica:

La tensione si misura in Volt $[\text{V}]$, dove:

$$1\,\text{V} = \frac{1\,\text{J}}{1\,\text{C}}$$

che rappresenta la tensione necessaria a compiere un lavoro di $1\,\text{J}$ su una carica di $1\,\text{C}$.