Elettricità ed Elettrologia

Elettrologia

Definiamo con il termine Elettrologia quella parte della Fisica che si occupa di studiare i fenomeni elettrici.

 

Elettrizzazione

Fin dai tempi antichi della civiltà greca era noto il fenomeno dell'ambra che i greci chiamavano  ἤλεκτρον, elektron , una resina fossile che se strofinata, con un panno di lana, si elettrizzava caricandosi e attraendo altri piccoli corpi.

L'ambra presenta la proprietà di elettrizzarsi per strofinio.

Partendo da due corpi elettricamente neutri un corpo si elettrizza positivamente cedendo elettroni formando così un catione, l'altro corpo si elettrizza negativamente attirando a sé elettroni formando così un anione.

Si chiama catione, ossia ione positivo, perché è attratto dal catodo che è il terminale positivo delle moderne pile o celle galvaniche, ma è il terminale negativo delle celle elettrolitiche. Si chiama anione, ossia ione negativo perché è attratto dall'anodo che è il terminale negativo delle moderne pile e nelle celle galvaniche, ma è il terminale positivo delle celle elettrolitiche.

Fare attenzione al fatto che nel caso delle celle elettrolitiche, l'anodo è positivo e il catodo è negativo.

In sintesi, dunque, questa situazione:

  Anodo Catodo
Celle Elettrolitiche Positivo Negativo
Pile o Celle Galvaniche Negativo Positivo
Elettronica (esempio DIODO) Positivo Negativo

La Pila o Cella Galvanica converte energia chimica in Energia Elettrica, causando una corrente elettrica.

La cella elettrolitica invece converte energia elettrica in energia Chimica, con una processo che viene detto elettrolisi.

Classificazione dei corpi dal punto di vista elettrico

Dal punto di vista elettrico si distinguono i materiali e le sostanze e i corpi in base alla loro attitudine a facilitare o meno il passaggio della carica elettrica.

Esistono dunque tre classi:

  1. Conduttori:se si lasciano attraversare facilmente dalla carica elettrica, come nel caso dei metalli
  2. Isolanti: se non si lasciano attraversare facilmente dalla carica elettrica, come nel caso del legno e della plastica o del vetro
  3. Semiconduttori: hanno un comportamento intermedio a quello dei conduttori e degli isolanti e il loro comportamento può essere modificato aggiungendo particolari impurità con un processo chiamato drogaggio. E' il caso del Silicio Si, del Germanio Ge, dell'arseniuro di gallio GaAs, del fosfuro di Indio InP.

I Semiconduttori sono particolarmente interessanti ed importanti nell'elettronica e nelle sua applicazioni perché usati nei diodi, nei transisori e nei chip dei circuiti integrati.

 

Forza elettrica

I corpi elettricamente non neutri perché elettrizzati sono la causa di una forza elettrica, di attrazione se i corpi sono carichi con cariche di segno opposto, ossia uno positivo e uno negativo; di repulsione se dello stesso segno.

Tale forza è chiamata Forza di Coulomb e si manifesta con la seguente intensità

 

F = k Q 1 Q 2 r 2

 

dove Q1 e Q2 sono le due cariche, r è la distanza tra le due cariche, e k una costante che vale $$9x10^9 Nm^2C^{-2}=9x10^9\frac {Nm^2}{C^2 } $$

Inoltre k si può scrivere anche come $$ \frac {1}{4πε_0} $$  dove ε0 è la costante dielettrica del vuoto e vale 8,85x10-12F/m.

Se non si è nel vuoto tale costante dielettrica assume la forma ε 0εr , in cui εr è quella relativa.

Nello spazio dove è presente la forza elettrostatica di Coulomb si possono disegnare le linee di forza del Campo elettrico. Il Campo Elettrico E = F / q ,  si misura in V/m , ed è definito come la forza diviso la carica esplorativa.

Introdotto da Michael Faraday, il campo elettrico si propaga alla velocità della luce ed esercita una forza su ogni oggetto elettricamente carico. Nel sistema internazionale si misura in newton su coulomb (N C−1), o in volt su metro (V m−1) .

 

Tensione elettrica

Inoltre si definisce la tensione elettrica V o differenza di potenziale come l'energia potenziale divisa per il valore della carica stessa e si misura in Volt (V). L'energia potenziale è il lavoro necessario per spostare una carica da un punto all'altro di un campo elettrico, cambiato di segno.

Dimensionalmente [V]=[J/C] ossia Joule diviso Coulomb.

 

Corrente elettrica

In un conduttore sottoposto ad una tensione elettrica si ha un continuo movimento di cariche elettriche ed un flusso netto di elettroni che attraversano la sezione di tale conduttore.

Tale flusso netto di elettroni si chiama corrente elettrica. La sua Intensità di corrente I di misura in Ampère.

L'intensità di corrente è il rapporto tra la quantità di carica elettrica e la durata temporale, se non varia nel tempo.

In caso di corrente variabile occorre considerare le variazioni, ma ciò esula lo scopo di questo articolo.

Il verso convenzionale della corrente elettrica va dal polo positivo al polo negativo della batteria. In realtà gli elettroni escono dal polo negativo, dove sono in maggioranza.

 

Resistenza Elettrica e leggi di Ohm

La resistenza elettrica R è il rapporto tra la tensione elettrica ai capi di un corpo o dispositivo e l'intensità di corrente che lo attraversa, a causa della tensione presente ai suoi capi. Idealmente la legge di Ohm dice che la resistenza R che si misura in Ω  (ohm) è una costante e si considera indipendente da V e da I.

Si puo' scrivere:

$$R=\frac {V}{I} $$

$$I=\frac {V}{R} $$

$$V=R I $$

Dato un conduttore percorso da corrente di lunghezza l e di sezione S si trova sperimentalmente che

$$R=ρ\frac {l}{S} $$

dove ρ è la resistività del materiale che si misura in Ω · m. A volte questa ultima relazione viene chiamata seconda legge di Ohm.

Per i resistori, ossia i dispositivi che presentano una Resistenza elettrica, come componenti discreti, un buon sito per esercitarsi con il codice dei colori è il seguente:

http://www.associazionemarconi.com/calcolo/codice_resistenze_elettriche_4.html

Potenza ed Energia

La potenza elettrica P si misura in W (Watt) e si calcola come

$$P=V I = R I^2=\frac {V^2}{R} $$

L'energia elettrica W è misurata in Joule e si calcola moltiplicando la potenza P per il tempo espresso in secondi.

$$W=P t =  V I  t= R I^2 t=\frac {V^2}{R } t $$

Poiché 1 W = 1 J/s e 1 h = 3600 s, allora risulta:

$$1 W h = (3600 s) (W) = 3600 s \frac {J}{s} = 3600 J = 3,6kJ $$

pertanto

$$1 kW h = 1000 Wh= 3,6MJ $$

https://it.wikipedia.org/wiki/Wattora

Rendimento Elettrico

E' il rapporto tra la potenza utilizzata $ P_u $ e quella totale che viene assorbita $ P_a $ dalla rete elettrica o comunque dal generatore.

$$\eta = \frac {P_u}{P_a}$$

Spesso il rendimento viene espresso in percentuale. Se un apparecchio ha un rendimento del 70% e assorbe 3000W ne utilizza effettivamente 2100W e le rimanenti 900W si disperdono in calore, ad esempio.

Esercizi

Ci si puo' esercitare con questo sito, con i generatori:

http://www.edutecnica.it/elettrotecnica/genx/genx.htm

le resistenze:

http://www.edutecnica.it/elettrotecnica/resx/resx.htm

la legge di Ohm:

http://www.edutecnica.it/elettrotecnica/kirchoffx/kirchoffx.htm

e un esempio di prova per competenze:

http://www.itiscassino.it/uploads/file/PREITE/test-scienza-e-tecnologia-3a.pdf

Esercizi sul risparmio energetico:

http://www.e-guernica.net/it/risparmioEnergeticoEsercizi