ELETTROTECNICA E LEGGI FONDAMENTALI DI OHM

 Didattica, Energia
Ott 302017
 

Quando si parla di elettrotecnica, di elettricità, di circuiti, un nome che ricorre spesso è quello di Ohm e delle sue leggi. Ma prima di addentrarci nei segreti di questi fondamentali principi, scopriamo chi è questo scienziato.

Georg Simon Alfred Ohm, è un un fisico e matematico tedesco. Deve la sua fama agli studi sulla cella elettrochimica inventata da Alessandro Volta; egli scoprì che esiste una relazione diretta tra la differenza di potenziale o tensione elettrica e l’intensità del flusso di corrente elettrica nella materia.

A lui dobbiamo diverse leggi fondamentali dell’elettrotecnica, tra cui la prima e la seconda Legge di Ohm.

PRIMA LEGGE DI OHM

Ricordando il concetto di elettricità, ossia un flusso di elettroni nella materia (vedi: L’elettricità e i suoi segreti) e che, per materia intendiamo i corpi conduttori, ossia i metalli e le soluzioni saline, la prima legge di Ohm ci consente di comprendere quali siano le relazioni elettriche che si instaurano tra i diversi corpi o parti di essi.

La prima legge di Ohm afferma che:

tra la differenza di potenziale o tensione elettrica ai due estremi di un conduttore e la corrente che passa al suo interno, esiste una relazione di proporzionalità diretta.
Questa Legge spiega semplicemente come esista una relazione diretta tra una tensione elettrica e l’intensità di corrente che essa genera in un corpo.

Per comprendere meglio questo concetto, iniziamo con il trascrivere la formula della prima legge di Ohm:

V = I * R

( TENSIONE = INTENSITA’ * RESISTENZA )

V rappresenta la TENSIONE ELETTRICA e si misura in Volt;

I rappresenta l’INTENSITA’ DI CORRENTE e si misura in Amphere;

R rappresenta la RESISTENZA e si misura in Ohm.

Immaginiamo di avere due corpi conduttori A & B (vedi animazione sopra) elettricamente neutri posti uno vicino all’altro, senza toccarsi. Immaginiamo, poi, di spostare alcuni elettroni dal corpo B al corpo A applicando una certa forza. In questo modo i due corpi non saranno più in equilibrio, perché al loro interno le cariche (protoni e elettroni) non saranno più uguali; il corpo A, che ha acquisito nuovi elettroni, si troverà ad avere una carica negativa, mentre il corpo B che li ha ceduti, avrà un eccesso di protoni per cui la sua carica sarà positiva. Si dice allora che, tra il corpo A e il corpo B si è creata una differenza di potenziale o tensione elettrica.

Immaginiamo a questo punto di collegare il corpo A e il corpo B con un conduttore elettrico, ad esempio un filo metallico; in natura ogni corpo è in equilibrio per cui gli elettroni essendo gli unici a potersi spostare nella materia, percorreranno il filo conduttore spostandosi a ritroso per tornare in B riportando così i corpi A e B allo stesso livello di carica elettrica, ossia in equilibrio (neutri). Questo flusso di elettroni nel conduttore, prende il nome di Intensità di corrente elettrica.

Questo spiega la relazione di proporzionalità diretta tra Tensione e Intensità. In pratica, se aumenta il numero di elettroni che spostiamo da B a A, aumenterà proporzionalmente anche il numero di elettroni che si muoverà da A verso B per riequilibrare il sistema. Quindi, se aumenta la Tensione aumenterà anche l’Intensità.

La prima legge di Ohm si completa un altro valore: R ossia la Resistenza.

La parola Resistenza, fa subito intendere che il passaggio della corrente attraverso un conduttore, non avviene gratuitamente, ma ad un costo. Questo, dipende da differenti fattori che vengono spiegati e chiariti da Ohm nella sua seconda legge.

SECONDA LEGGE DI OHM

Afferma che:

la resistenza di un conduttore è direttamente proporzionale alla sua lunghezza e inversamente proporzionale alla sua sezione.

Inoltre, dipende anche da una costante chiamata RESISTIVITA’.

Scriviamo la formula:

R rappresenta la RESISTENZA e si misura in Ohm;

ρ (rho) rappresenta la RESISTIVITA’ del materiale e si misura in Ohm per metro;

l rappresenta la LUNGHEZZA del conduttore e si misura in metri;

A rappresenta l’AREA DELLA SEZIONE del conduttore e si misura in metri2.

La formula spiega che un conduttore si oppone al passaggio della corrente elettrica in base alle caratteristiche del materiale, ossia alla sua Resistività che ha un valore costante; direttamente proporzionale alla sua lunghezza, cioè che all’aumentare della lunghezza del conduttore cresce anche la sua Resistenza e inversamente proporzionale alla sua sezione cioè che al diminuire di questa cresce il valore di R.

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Ott 152017
 

L’elettricità è un fenomeno naturale descrivibile come un flusso di elettroni nella materia. Può essere considerata come una “forma di energia secondaria” (vedi Le Fonti e le Forme di Energia), in quanto ottenuta per trasformazione da altre “fonti primarie” quali sole, acqua, vento o altre.

In realtà l’elettricità, si manifesta anche in natura attraverso i fulmini, ma questi sono fenomeni estemporanei, non prevedibili, repentini e capaci di sviluppare una tale quantità di energia nell’unità di tempo, da non poter essere accumulata. Pur essendo una forma di energia infinita e pulita, i processi di trasformazione necessari per ottenere l’elettricità per la nostra società digitalizzata, sono complessi, costosi ed in molti casi inquinanti.

Ma cos’è realmente l’elettricità?

Per comprenderne il significato, dobbiamo scendere nel profondo della materia e capire come si comportano gli elementi che la compongono: gli atomi.

ATOMO, L’INDIVISIBILE

L’atomo è la più piccola parte della materia, non è visibile ad occhio nudo e il suo nome deriva dal greco e significa indivisibile. Ai tempi della dottrina greca, infatti, l’atomo era considerato la più piccola parte della materia e si supponeva fosse indivisibile, ma studi più recenti fecero comprendere agli scienziati che questo non era l’elemento più piccolo in natura e che in particolari condizioni lo si poteva anche dividere. Infatti, l’atomo, è costituito da particelle subatomiche (ossia più piccole di un atomo) chiamate protoni, neutroni ed elettroni. Protoni e neutroni costituiscono quello che viene definito il nucleo di un atomo, mentre in aree esterne chiamate orbitali, troviamo delle particelle chiamate elettroni.

Schemi di tutti i possibili orbitali

Approfondimento: gli orbitali, sono degli spazi tridimensionali dove è possibile trovare confinati gli elettroni. Infatti questi si spostano non lungo orbite ellittiche come si pensava, ma si allontanano e avvicinano al nucleo ad una velocità prossima alla velocità della luce, per cui è impossibile definire una loro posizione certa in un determinato istante, mentre è possibile individuare l’area (orbitale) nella quale è quasi certo questo si stia muovendo.

Gli elettroni rimangono legati al nucleo di un atomo perché rispondono ad un principio conosciuto come legge di Coulomb. Charles Augustin de Coulomb uno scienziato francese, infatti, dedusse che tra due corpi elettricamente carichi esiste una forza che è attrattiva nel caso in cui le loro cariche siano opposte o repulsiva nel caso in cui possiedano cariche uguali.

Questa differenza di carica spiega il perché gli elettroni rimangano legati al nucleo; infatti i protoni hanno carica positiva, mentre gli elettroni, esterni al nucleo, hanno carica negativa. I neutroni, come dice il loro nome, sono elettricamente neutri, ossia non hanno carica e si trovano nel nucleo legati ai protoni.

Cariche dello stesso segno si respingono

Cariche di segno opposto si attraggono

In condizioni normali, il numero dei protoni e quello degli elettroni è uguale per cui la carica elettrica di un atomo è neutra, ossia non ha carica elettrica.

Riprendendo dall’inizio, ossia da “un flusso di elettroni nella materia“, adesso può apparire più chiaro il significato di elettricità. In generale, gli atomi tendono a restare tali e in equilibrio, ma in alcuni casi, i legami tra gli elettroni e il nucleo sono meno forti. Questo condizione capita quando ci troviamo in un materiale detto conduttore.

I conduttori, ossia i materiali in grado di far passare l’elettricità in natura, sono i metalli e le soluzioni saline. Nei primi, gli elettroni sono liberi di passare da un atomo all’altro essendo gli unici elementi a potersi spostare, nelle seconde, invece, si spostano direttamente gli atomi che avendo acquisito o perso elettroni diventano delle entità elettricamente cariche che prendono il nome di ioni (positivi o negativi).

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