La corrente elettrica è una parte fondamentale della nostra vita moderna: elettrodomestici, apparecchiature elettroniche, infrastrutture di trasporto e comunicazione. Vediamo nel dettaglio cos'è, come funziona e si trasporta in analogia all'acqua o ad un cartoon!
Cos'è la corrente elettrica?
L'elettricità è l'insieme dei fenomeni fisici associati alla presenza e al moto della materia che ha una proprietà di carica elettrica. In altre parole, l'elettricità è il flusso continuo di cariche elettriche che si presenta in un materiale conduttore quando ai suoi estremi è applicata una differenza di potenziale elettrico.
Come appena definito, la corrente elettrica è un fenomeno fisico che consiste nello spostamento di cariche elettriche. In natura, le cariche elettriche sono presenti in tutte le cose, anche in noi stessi (vedi fig. atomo). Tuttavia, per poter parlare di corrente elettrica, è necessario che queste cariche si muovano in modo ordinato e continuo.
Modello atomico planetario di Rutherford.
In un conduttore elettrico (es. metalli), le cariche elettriche (tipicamente negative: elettroni) con un "orbita" più esterna quindi debolmente legati al nucleo, transitano da un punto a un altro a causa di una differenza di potenziale elettrico [V] senza la quale le cariche elettriche non si muoverebbero in modo continuo ed ordinato. La differenza di potenziale è una misura della quantità di energia potenziale elettrica che è presente tra due punti.
La corrente elettrica è una grandezza fisica che viene misurata in Ampere [A]. Un ampere è definito come la quantità di carica elettrica (misurata in Coloumb [C]) che attraversa una superficie di sezione pari a un metro quadrato in un secondo.
⛲Analogia idraulica
Per comprendere meglio il fenomeno della corrente elettrica, possiamo utilizzare un'analogia idraulica. Come è noto, in un circuito idraulico, l'acqua scorre da un punto a un altro sotto l'influenza di una differenza di pressione. La differenza di pressione è analoga alla forza elettrica (ossia la differenza di potenziale elettrico) che muove le cariche elettriche.
Per capire meglio, immaginiamo un circuito idraulico costituito da due serbatoi d'acqua tra loro comunicanti alla base da un tubo (fig. A). In questa configurazione, dopo un certo intervallo di tempo il dislivello iniziale viene equamente ripartito tra i due serbatoi. Se volessimo mantenere costante nel tempo il suddetto dislivello, dovremmo installare nel circuito idraulico una pompa (fig. B) capace di creare una differenza di pressione tra i due serbatoi. Questa differenza di pressione fa sì che l'acqua scorra nel tubo vincendo la forza di gravità del''acqua e tutte le forze dissipate a causa dei vari attriti incontrati lungo il circuito idraulico.
Similitudine elettro-idraulica con alcune formule di calcolo comparate.
In fin dei conti, possiamo evidenziare le seguenti analogie elettro-idrauliche:
- L'intensità di corrente elettrica è analoga alla portata di acqua nel tubo.
- La tensione elettrica è analoga alla caduta di pressione che deve fornire la pompa.
- La resistenza elettrica è analoga alla rugosità del tubo.
Se la pompa è opportunamente potente e il tubo è abbastanza liscio, la corrente elettrica sarà forte e la tensione sarà elevata. Se la pompa è troppo debole o il tubo è molto ruvido, la corrente elettrica sarà debole e la tensione sarà bassa.
💡Parametri e leggi di Ohm che governano la corrente elettrica
La corrente elettrica è governata da tre parametri fondamentali:
- I - Intensità di corrente elettrica - misurata in ampere [A]: è la quantità di carica elettrica che attraversa una superficie in un determinato intervallo di tempo.
- V - Tensione elettrica - misurata in Volt [V]: è la differenza di potenziale elettrico tra due punti e spesso denominata f.e.m. (forza elettro-motrice) quando generata da un dispositivo elettrico (es. pila).
- R - Resistenza elettrica - misurata in Ohm [Ω]: è la capacità di un materiale conduttore di opporsi al passaggio della corrente elettrica.
La relazione tra questi tre parametri è espressa dalla prima legge di Ohm, la quale afferma che in un conduttore ohmico l'intensità di corrente elettrica è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale ai suoi capi. La stessa è di seguito rappresentata prima in cartoon e poi in formulazione matematica:
dove:
- 𝚫V è la tensione elettrica ossia il differenziale di potenziale elettrico ossia la fem generata da una batteria (Volt - V);
- R è la resistenza elettrica (Ohm - Ω).
- I è l'intensità di corrente (Amp - A);
⚠️Esercizio n. 1 - Se una lampadina ha una resistenza di 100 Ω e viene collegata a una presa elettrica da 220 V, qual'è la corrente che fluisce attraverso la lampadina? [Risposta: I=V/R ossia 220/100 = 2,2 A].
Per capire meglio come la corrente elettrica viene "frenata" transitando nel conduttore, considerandone materiale e forma, occorre enunciare anche la seconda legge di Ohm, la quale afferma che la resistenza elettrica R di un determinato conduttore è direttamente proporzionale alla sua resistività, alla sua lunghezza ed è inversamente proporzionale alla sua sezione. La stessa è espressa dalla seguente formulazione matematica:
dove:
- R (Ohm - Ω) = resistenza elettrica
- ρ ("Rho" - Ω·m) = resistività elettrica, ossia la resistenza specifica di un conduttore assegnato il materiale ad una certa temperatura di esercizio;
- 𝑙 (m) = lunghezza del conduttore;
- S (m²) = sezione trasversale del conduttore ossia perpendicolare alla direzione della corrente.
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| Approfondimento sul calcolo di ρ al variare della temperatura. |
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| Tabella dei valori di ρ ed α a 20°C per alcuni materiali solidi. |
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| ⚠️Esercizio n. 2. |
🔋Circuiti elettrici in serie ed in parallelo. Calcolo della Req.
Come prima accennato quando si trattava dell'analogia elettro-idraulica, per calcolare i parametri di un circuito elettrico dobbiamo necessariamente capire come sono disposte in esso tutte le resistenze elettriche.
Precisamente esistono le due seguenti configurazioni elementari a cui ricondurre il nostro circuito per il preventivo calcolo della resistenza equivalente (Req).
👉 Circuito in SERIE, quando le resistenze sono attraversate dalla stessa I.
⚠️ Esercizio n. 3: 👉Partitore di tensione. 🧮Simulatore di calcolo.
👉 Circuito in PARALLELO, quando le resistenze sono attraversate dalla stessa V ossia un partitore di corrente.
⚠️ Esercizio n. 4 (clicca sulla figura per ingrandirla).
Inoltre, i principali strumenti di misura delle reti elettriche solo:
- Amperometro che, installato in serie, misura l'intensità di corrente elettrica;
- Voltmetro che, installato in parallelo, misura la differenza di potenziale elettrico agli estremi di un qualsiasi componente.
Affinché le suddette misure siano affidabili e precise, l'Amperometro deve avere bassissima resistenza elettrica mentre il Voltmetro deve avere altissima resistenza elettrica.
⚡Potenza elettrica e trasporto efficiente della corrente
Qui accenniamo brevemente i criteri da seguire per trasportare la corrente elettrica dal punto di produzione all'utente finale attraverso la rete elettrica nazionale gestita da Enel (in BT - Bassa Tensione) e da Terna (in MT/AT - Media/Alta Tensione).
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| ⚠️Come funziona il sistema elettrico nazionale. 👉Approfondisci i LIVELLI DI TENSIONE in CA/CC su Geopop. |
Potenza Attiva ➤ P = V · I
Potenza Passiva ➤ P.diss = R · I²
La potenza passiva (Pdiss) non è altro che la potenza elettrica dissipata sotto forma di calore per Effetto Joule, ben spiegato dal seguente breve video didattico che, come i precedenti, è prodotto dalla Zanichelli.
A questo punto abbiamo tutti gli elementi per comprendere come trasportare la corrente elettrica in modo efficiente ossia senza perdite di potenza. Per fare ciò partiamo proprio dalla definizione matematica della 👇Pdiss osservando che per renderla minima occorre ridurre 👇I che incide al quadrato su uno dei due fattori e/o ridurre 👇R, anche se ciò comporta dei limiti tecnico-economici come vedremo più avanti.
Conseguentemente, per ridurre 👇I = P/V (formula inversa di P = V·I) mantenendo costante P occorre necessariamente aumentare 👆V in quanto inversamente proporzionale ad I. Da quest'ultima affermazione finalmente abbiamo inteso perché, in ogni impianto di produzione elettrica, a valle dell'alternatore è necessariamente installato un trasformatore statico (che funziona grazie all'induzione elettromagnetica) che appunto innalza i valori di tensione elettrica in AT per veicolare così la minima corrente elettrica sui cavi sorretti dei tralicci in aperta campagna.
Per seguire l'altra strada, ossia ridurre 👇R, dovremmo considerare la seconda legge di Ohm la quale, a parità di distanza di trasporto della corrente ossia lunghezza del conduttore ( 𝑙 ), determina le due possibili alternative:
- ridurre la 👇ρ ossia usare un materiale più pregiato del comune rame;
- aumentare la 👆S del conduttore ossia usare un cavo più spesso quindi più costoso e pesante.
Come abbiamo potuto constatare, questa seconda strada è quella con maggiori limiti tecnico-economici quindi la più difficile da attuare!
Il seguente video didattico saprà "illuminare" eventuali dubbi sull'argomento.
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| ⚠️ Esercizio n. 5 (clicca sulla figura per ingrandirla). |
🔌Applicazioni della corrente elettrica
La corrente elettrica ha un'ampia gamma di applicazioni, tra cui:
- Trasporto di energia: la corrente elettrica è il modo più efficiente per trasportare energia a grandi distanze.
- Produzione di calore: la corrente elettrica può essere utilizzata per generare calore, ad esempio per riscaldare gli ambienti o cucinare i cibi.
- Produzione di luce: la corrente elettrica può essere utilizzata per produrre luce, ad esempio nelle lampadine.
- Trasmissione di informazioni: la corrente elettrica può essere utilizzata per trasmettere informazioni, ad esempio nei computer e nelle telecomunicazioni.
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| ⚠️ Esercizio n. 6 (clicca sulla figura per ingrandirla). |
Spero con questo post di avervi incuriosito a continuare la lettura della mia pagina dedicata all'ELETTRICITÀ.
TECH ⏻N!
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Post propedeutico:🥫METALLI: proprietà, lavorazioni e impieghi
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