tensione elettrica

1. La carica elettrica è una proprietà della materia:

   • Si misura in C (coulomb) o in Ah (ampere ora) ed è di due tipi (carica positiva e negativa)

   • Tra le cariche agisce la forza di Coulomb, repulsiva tra cariche dello stesso tipo, attrattiva tra cariche di tipo opposto.

   • Gli atomi sono neutri perchè possiedono ugual numero di cariche positive e negative: ad una adeguata distanza gli effetti su una eventuale carica isolata sono opposti e si annullano. 

   • Di conseguenza anche i corpi sono neutri

   • Quindi normalmente le forze elettriche non si manifestano con immediata evidenza, anche se determinano, insieme alle forze gravitazionali, lo stato fisico della natura più direttamente osservabile.

   • separazione delle cariche per strofinio

2. Pila di Volta. Per ottenere effetti elettrici  bisogna separare le cariche; ad es. spostare gli elettroni da una parte di un corpo (che diventa positiva) ad un'altra (negativa). Esistono diversi fenomeni fisici che lo consentono. Alessandro Volta scopri la pila che sostanzialmente al suo interno  separa le  cariche  disponendole su due poli (in quantità uguali ed opposte) grazie all'energia chimica. L'intera batteria rimane neutra. Il dispositivo mantiene nel tempo questa separazione. Dall'esterno, attraverso conduttori,  le cariche separate si possono riunire (ottenendo corrente elettrica),  ma la pila ripristina dall'interno l'iniziale separazione fino a quando non si scarica. Si parla di generatore di tensione costante (nel tempo).  https://www.perplexity.ai/search/c1fd524d-7cf4-4e59-9b75-3ca46063d511?s=u

3. Conduttori metallici. 

   • Sono formati da atomi che legandosi tra loro liberano uno o più elettroni. 

   • Questi elettroni, non rigidamente legati al nucleo, vagano nello spazio interatomico agitandosi con velocità vb=106 m/s, detta velocità  browniana.

   • Le forze elettriche esterne aggiungono un moto in una direzione prevalente con velocita  vd=10-2 m/s, detta velocità di deriva,  molto bassa rispetto all'agitazione termica: in questo modo si ottiene la corrente elettrica. 

   • Esistono molti fenomeni di conduzione elettrica (semiconduttori, gas...) e si scoprono nuovi materiali conduttori.

4. Energia potenziale e potenziale elettrico.  

   • Una carica elettrica è sorgente di effetti energetici su altre cariche poste nello spazio circostante, grazie alla forza di Coulomb.  

   • Una seconda carica test, meglio se trascurabile, posta in un punto generico,  avrà una certa energia potenziale perchè, se non vincolata, si sposterà avvicinandosi o allontanandosi dalla carica sorgente. 

   • Questa energia  dipende dalla posizione (distanza tra le due cariche), dalla carica sorgente e dal valore della carica test stessa.  

   • Il potenziale elettrico nel punto considerato è il rapporto tra l'energia potenziale che ha la carica test posta in quel punto e la carica test stessa. Quindi si misura in J/C o  V (volt). 

   • Rappresenta gli effetti energetici della sorgente (in un punto dello spazio) indipendentemente dalla carica test. 

5. Conduttori ideali equipotenziali. In elettrostatica (studia i fenomeni elettrici dovuti alle cariche elettriche in equilibrio) un conduttore è equipotenziale perchè le cariche libere di muoversi  hanno la possibilità di disporsi uniformemente, il più possibile lontane tra  loro. Se non fosse equipotenziale le cariche si sposterebbero fino all'equilibrio. 

   • Un insieme di conduttori direttamente connessi tra loro,  è caratterizzato dallo stesso potenziale e si indica con un'unica lettera o numero. (ha senso inserire una sola lettera dal punto di vista del potenziale)

   • I terminali di ogni singolo componente hanno potenziale diverso e vanno indicati con lettera diversa. Terminali di componenti diversi direttamente collegati con un conduttore hanno lo stesso potenziale (stessa net, unica lettera)

6. La tensione tra due punti è la differenza tra i potenziali elettrici dei due punti ed ovviamente si misura in Volt. 

   • Significato. E' la causa che pone in movimento le cariche elettriche libere, già presenti in un circuito chiuso, fornendo l'energia necessaria. Le cariche libere negative del circuito chiuso (elettroni liberi sganciati dal nucleo) si sposteranno verso il punto a potenziale maggiore impegnando, nel loro movimento, tutto il ramo di appartenenza.

   • Come si indica sul circuito. Per indicare la tensione si usa la lettera V oppure U. Deve essere chiaramente associata a due punti di uno schema elettrico. Ci sono diverse possibilità:

     1. • Se i due punti sono indicati sul circuito con lettere o numeri, si possono associare alla lettera V  due pedici che indicano, nell'ordine, il minuendo e il sottraendo. Ad es. V34 (potenziale del punto 3 meno il potenziale del punto 4), VCD  (potenziale del punto C meno il potenziale del punto D).

        • Se la tensione ha un solo pedice ( ad es. V1, V2, VA, VR123 ecc. ) bisogna disegnare sullo schema elettrico  una freccia tra i due punti, diretta verso il minuendo (punta +, coda -), possibilmente parallela a uno dei possibili  rami che collegano i due punti.  Alcuni testi usano inserire + e - ai due punti.

        • Se la tensione ha un solo pedice (ad es. V2) ma manca la freccia, si sottintende che il sottraendo è il riferimento 0V  del circuito (che deve essere indicato!)

   • Tensioni opposte. Scambiando i due punti, invertendo la freccia,  la tensione cambia solo di segno: P1 - P2 = - (P2 - P1);   V12 = - V21 (grazie alla proprietà dei campi conservativi per i quali il lavoro non dipende dal percorso ma solo dai punti iniziali e finali) 

   • Terminologia. Per la tensione comunemente si  usano i termini: ...applicata ai punti, generata da..., tra i due punti..., ai capi del componente..., ecc; questa terminologia è completamente diversa da quella usata per la corrente. 

   • Polarizzazione. Polarizzare un componente significa applicare ai suoi estremi una tensione costante (BIAS)

   • Nel simbolo elettrico della pila il tratto più lungo rappresenta il  potenziale minuendo.

7. Due punti sono in cortocircuito (cc) quando sono direttamente collegati con un conduttore. La tensione tra due punti in cc è nulla, qualunque sia la corrente che circola tra loro.  Questo collegamento può essere desiderato, per realizzare i circuiti, o non desiderato in caso di guasto.   

   • Guasto in cc. Se un carico (componente che limita la corrente erogata da un generatore di tensione) si guasta e si trasforma in cc oppure se un conduttore cortocircuita un carico,  la corrente non è più limitata e la condizione di funzionamento diventa pericolosa per tutti i componenti del circuito, compresi i conduttori, che potrebbero non sopportare le condizioni elettriche anomale. Questa condizione deve essere quindi rilevata immediatamente ed interrotta ( interruttore differenziale + presa terra, fusibili, interruttori magnetotermici ).

8.  Voltmetro. Elettricamente si comporta come circuito aperto (presenta una resistenza elevatissima),  si inserisce in parallelo sui  due punti e non è una misura invasiva sul circuito. Bisogna scegliere il tipo di tensione, continua o alternata, il range o portata (se lo strumento non è autorange)  immediatamente più grande della misura attesa, e le boccole da utilizzare. Un voltmetro ideale non assorbe corrente dal circuito sotto misura in modo da non alterare le condizioni di funzionamento. Se si inserisce un multimetro come voltmetro, in parallelo tra due punti, mentre  è settato come amperometro (si comporta da cc), lo strumento  probabilmente si guasta perchè i due potenziali si cortocircuitano e la corrente può essere elevata se non è limitata da altri carichi in serie. (interviene il fusibile dello strumento). 

9. Circuito elettrico. Insieme di componenti elettrici collegati attraverso conduttori. Le cariche elettriche possono circolare (grazie alle differenze di potenziale) solo in un circuito chiuso, perchè si deve conservare la neutralità di tutti i componenti elettrici, compresi i conduttori: tanta carica si allontana tanta carica deve arrivare. Vale il principio della conservazione della carica elettrica. L'applicazione di tensione ai componenti e/o  la circolazione di corrente produce i più disparati ed utili effetti fisici (termici, luminosi, energetici, informativi...); vale anche il viceversa (sensori, celle fotovoltaiche...).

Elettrostatica

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