Che cosa sono la carica elettrica e la corrente elettrica?
Tutta la materia contiene minuscole particelle cariche. In un filo di metallo alcuni elettroni sono liberi di muoversi. Quando si spostano in una direzione, la carica scorre. La corrente elettrica indica quanta carica passa in un punto ogni secondo:
I = Q / t
La carica Q si misura in coulomb (C), il tempo t in secondi e la corrente I in ampere (A). Quindi 1 ampere significa 1 coulomb di carica che passa ogni secondo. Un coulomb è la carica di circa 6.25 × 1018 elettroni e un elettrone porta 1.6 × 10−19 C. Le correnti piccole si scrivono in milliampere (1 mA = 10−3 A) o in microampere (1 µA = 10−6 A).
Il verso della corrente elettrica
Gli scienziati scelsero il verso della corrente prima che gli elettroni fossero scoperti. Scelsero il verso in cui si muoverebbe una carica positiva: dal polo positivo al polo negativo, fuori dalla pila. Questa è la corrente convenzionale. Gli elettroni sono negativi, quindi in realtà si spostano nel verso opposto, da − a +. In tutti gli schemi dei circuiti si disegna la corrente convenzionale.
Il circuito elettrico e l'amperometro
Un circuito elettrico è un percorso chiuso e senza interruzioni per la carica. Se l'interruttore è aperto o un filo è rotto, il circuito è aperto e in nessun punto scorre corrente.
La corrente si misura con un amperometro. Va sempre collegato in serie, così la stessa corrente lo attraversa. Un amperometro ha una resistenza molto bassa, quindi non cambia quasi per nulla la corrente che misura. Il suo morsetto + va verso il lato + della pila.
Che cos'è la differenza di potenziale?
La carica non scorre da sola. Ha bisogno di una spinta, come l'acqua ha bisogno di un dislivello per scendere in un tubo. Una pila compie un lavoro chimico per mantenere un polo a un potenziale elettrico più alto dell'altro. La differenza di potenziale (d.d.p.) tra due punti è il lavoro necessario per spostare una carica unitaria da un punto all'altro:
V = W / Q
La sua unità SI è il volt (V): 1 volt = 1 joule per coulomb. Quindi se 1 J di lavoro sposta 1 C di carica tra due punti, la d.d.p. è 1 V. La differenza di potenziale si misura con un voltmetro, collegato in parallelo (ai capi) del componente. Un voltmetro ha una resistenza molto alta, quindi assorbe quasi nessuna corrente.
I simboli degli schemi dei circuiti
Disegnare pile e lampadine reali richiede tempo, quindi usiamo simboli standard:
- Pila: una linea lunga e sottile (+) e una linea corta e spessa (−).
- Batteria: due o più pile collegate insieme.
- Interruttore: aperto (spento) o chiuso (acceso).
- Nodo: un punto dove i fili si uniscono; i fili che si incrociano senza unirsi non hanno il punto.
- Lampadina: un cerchio con una croce o un'ansa all'interno.
- Resistore: un piccolo rettangolo o una linea a zig-zag.
- Resistore variabile (reostato): un resistore attraversato da una freccia.
- Amperometro: un cerchio con la lettera A, voltmetro: un cerchio con la lettera V.
All'esame spesso si chiede di disegnare un circuito con una pila, un interruttore, un resistore, un amperometro in serie e un voltmetro ai capi del resistore. Esercitati a disegnarlo in modo ordinato con linee dritte.
Formule e definizioni chiave
- I = Q / t (corrente = carica ÷ tempo)
- Q = n × e, dove e = 1.6 × 10⁻¹⁹ C
- V = W / Q (differenza di potenziale = lavoro ÷ carica)
- 1 A = 1 C/s; 1 V = 1 J/C; 1 mA = 10⁻³ A; 1 µA = 10⁻⁶ A
Esempi svolti
1. Una carica di 30 C attraversa una lampadina in 1 minuto. Trova la corrente.
t = 60 s. I = Q / t = 30 / 60 = 0.5 A.
2. Una corrente di 2 A scorre per 5 minuti. Quanta carica passa?
t = 5 × 60 = 300 s. Q = I × t = 2 × 300 = 600 C.
3. Quanto lavoro si compie per spostare 4 C di carica attraverso una d.d.p. di 12 V?
W = V × Q = 12 × 4 = 48 J.
4. Quanti elettroni formano una carica di 1 C?
n = Q / e = 1 / (1.6 × 10⁻¹⁹) = 6.25 × 10¹⁸ elettroni.
5. In un filo scorre una corrente di 0.4 A. Quanti elettroni passano in un punto in 2 secondi?
Q = I × t = 0.4 × 2 = 0.8 C. n = Q / e = 0.8 / (1.6 × 10⁻¹⁹) = 5 × 10¹⁸ elettroni.
6. Una batteria compie 360 J di lavoro per spingere la carica per 2 minuti in un circuito con una d.d.p. di 3 V. Trova la carica e la corrente.
Q = W / V = 360 / 3 = 120 C. t = 120 s, quindi I = Q / t = 120 / 120 = 1 A.
Errori comuni
- Dimenticare di convertire i minuti in secondi prima di usare I = Q / t.
- Collegare il voltmetro in serie o l'amperometro in parallelo. Amperometro: serie. Voltmetro: parallelo.
- Dire che nei disegni la corrente va da − a +. La corrente convenzionale si disegna da + a −; solo gli elettroni si muovono da − a +.
- Pensare che la corrente venga "consumata" dalla lampadina. La stessa corrente entra ed esce dalla lampadina; a essere usata è l'energia.