CORSO BASE DI IMPIANTI ELETTRICI CON SIMULATORE GRATUITO

PER PRINCIPIANTI NPR, PRESENTA:

CARICHE ELETTRICHE, CORRENTI E TENSIONI

In questa lezione ci occuperemo di alcuni concetti principali che riguardano l’elettrotecnica e l’elettronica: carica elettrica, corrente e tensione.

Sebbene gli impianti elettrici siano una branca della elettrotecnica, ossia di quella disciplina tecnica che concerne la produzione, la trasmissione e la distribuzione di energia elettrica, vogliamo introdurre questa lezione con la definizione di “elettronica” che come vedremo ci darà poi lo spunto per introdurre i concetti fondamentali di carica elettrica, energia elettrica, tensione e corrente che sono poi alla base non solo dell’elettronica ma anche dell’elettrotecnica.

In particolare, l’elettronica è una branca della fisica che riguarda l’emissione e la propagazione degli elettroni nel vuoto o nella materia.

Alla base di questa definizione ci sono quindi due concetti molto importanti: quello di elettrone e quello di moto o propagazione di tali elettroni.

Come noto, gli elettroni rappresentano particelle dell’atomo aventi carica negativa e che si muovono attorno ad un nucleo centrale percorrendo quelle che vengono chiamate orbite degli elettroni (Figura 1). All’interno del nucleo sono presenti particelle neutre, ossia prive di carica, denominate neutroni e particelle con carica positiva denominate protoni che attraggono gli elettroni ed è proprio grazie a questa attrazione che gli elettroni permangono in orbita e non si allontanano dall’atomo stesso.

In un atomo il numero di elettroni eguaglia il numero di protoni e quindi complessivamente l’atomo risulta neutro ossia non risulta carico né positivamente, né negativamente.  

Figura 1: Struttura principale dell’atomo.

Tuttavia, in particolari circostanze gli elettroni possono sfuggire all’attrazione del nucleo del proprio atomo (Figura 2) e quindi sotto l’azione di opportune forze possono mettersi in moto. Questa considerazione è direttamente correlata con il concetto di corrente elettrica che rappresenta un movimento ordinato di cariche elettriche.

Figura 2: Generazione di corrente elettrica come movimento ordinato di elettroni.

Pertanto, tutte le volte che in un materiale si verifica un movimento di cariche elettriche diremo che tale materiale è sede di corrente elettrica. Essendo sede di corrente elettrica, diremo che tale materiale è un conduttore elettrico.

In particolare circostanze, come nel caso di propagazione nei gas o nei liquidi, oltre agli elettroni che hanno carica negativa, possiamo avere anche il moto di particelle cariche positivamente. Queste ultime sono costituite da atomi che perdendo uno o più elettroni acquisiscono una carica complessiva positiva; tali atomi carichi positivamente prendono il nome di ioni positivi. In tali circostanze si può quindi avere corrente elettrica generata anche dal moto di cariche positive.

La maggior parte dei circuiti elettronici è basata su correnti che circolano in materiali solidi conduttori (Figura 3) e pertanto le correnti elettriche generate in tali circuiti sono dovute al movimento ordinato di elettroni che come detto sono particelle dotate di carica negativa. Nel corso della trattazione che seguirà faremo riferimento quindi a correnti generate da elettroni, tuttavia i concetti esposti si applicano anche a correnti generate da cariche positive o anche da cariche sia positive che negative.

Figura 3: Movimento ordinato di elettroni in un materiale solido conduttore.

È noto dalla fisica che all’interno dei materiali conduttori gli elettroni sono in continuo movimento casuale (Figura 4). Tale movimento non ordinato di cariche elettriche negative ci porta a dire quindi che gli elettroni non sono in grado di produrre spontaneamente una corrente elettrica.

Figura 4: Movimento casuale di elettroni in un materiale solido conduttore.

Per costringere gli elettroni a muoversi in maniera ordinata lungo una ben determinata direzione, occorre applicare delle forze capaci di agire su tali cariche negative (Figura 5). È evidente che data la dimensione davvero molto piccola degli elettroni, non possiamo certo pensare di applicarvi delle forze meccaniche per spingerle nella direzione voluta!

Figura 5: Forza da applicare agli elettroni per generare un movimento ordinato di cariche, ossia una corrente elettrica.

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Quello che invece si può fare è sfruttare il fatto che le cariche elettriche esercitano tra di loro delle forze dette forze elettriche (Figura 6). Ad esempio, sappiamo dalla fisica che due cariche di uguale segno (entrambe positive o entrambe negative) si respingono, mentre se prendiamo in considerazione due cariche di segno opposto, cioè una negativa ed una positiva, queste si attraggono.

Figura 6: Forze di attrazione e repulsione tra cariche elettriche.

Questo spiega perché gli elettroni rimangono confinati all’interno dell’atomo (Figura 7): dal momento che l’atomo contiene nel suo nucleo delle cariche positive, queste attraggono gli elettroni ed impediscono entro determinati limiti che questi ultimi possano sfuggire.

Figura 7: Forze di attrazione tra elettroni e protoni all’interno dell’atomo che impediscono agli elettroni di sfuggire.

Per generare un moto ordinato di elettroni si sfruttano proprio le forze elettriche di attrazione e repulsione. Nello specifico, si generano delle forze elettriche (Figura 8) che agiscono sugli elettroni facendoli muovere ordinatamente nella direzione desiderata.

Figura 8: Forze elettriche applicate agli elettroni per generare un movimento ordinato di cariche all’interno di un conduttore elettrico.

Per generare queste forze elettriche si usano dei dispositivi denominati generatori di forza elettromotrice. Tali generatori sono comunemente noti anche come generatori elettrici e senza la loro presenza all’interno di un circuito non sarebbe possibile attivare i vari dispositivi che costituiscono il circuito stesso.

Il generatore elettrico, dunque, attraverso le forze elettriche che è in grado di produrre, fornisce energia alle cariche elettriche presenti in un circuito affinché queste possano mantenersi in movimento. Arriviamo quindi al concetto di energia elettrica: i generatori elettrici sono a tutti gli effetti dei dispositivi in grado di produrre energia elettrica trasferendola alle cariche del circuito per metterle in moto e mantenerle in movimento.

Dal momento che nulla si crea e nulla si distrugge, per produrre energia elettrica da trasferire alle cariche elettriche del circuito, il generatore di forze elettromotrice converte in energia elettrica un’altra forma di energia (Figura 9). I pannelli fotovoltaici ad esempio convertono in energia elettrica l’energia solare (ossia la luce composta da fotoni), le pale eoliche messe in movimento dal vento convertono energia meccanica in energia elettrica, mentre le comuni pile convertono energia chimica in energia elettrica.

Figura 9: Esempi di generatori elettrici ottenuti dalla conversione in energia elettrica di altre forme di energia.

Comprendiamo bene che affinché ci sia un flusso continuo di cariche all’interno di un circuito, il generatore elettrico deve possedere due morsetti (Figura 10): un primo morsetto da cui vengono emessi gli elettroni con sufficiente energia perché questi si muovano in maniera ordinata nel circuito ed un secondo morsetto da cui poter raccogliere gli elettroni che hanno attraversato il circuito, trasferendo poi questi elettroni al primo morsetto in modo tale che la quantità di elettroni all’interno del generatore non si esaurisca.

Figura 10: Movimento continuo ed ordinato di elettroni generato da una pila.

Indipendentemente dal tipo di energia impiegata dal generatore di forza elettromotrice per produrre energia elettrica, si comprende che il parametro principale di un generatore elettrico è l’energia che questo riesce a fornire alle cariche elettriche di un circuito.

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Un generatore elettrico in funzione può dunque essere caratterizzato dal valore dell’energia elettrica che ciascuna carica riceve nel passare internamente da un morsetto all’altro del generatore elettrico. Senza entrare nel merito di concetti più complessi, possiamo affermare che l’energia che il generatore riesce a fornire ad una carica elettrica di valore unitario nel passaggio da un morsetto all’altro viene definita differenza di potenziale (Figura 11) e rappresenta il parametro principale di un generatore elettrico. Questa grandezza elettrica si misura in Volt e molto spesso anziché riferirsi ad essa come differenza di potenziale si parla anche di tensione e pertanto un generatore elettrico, oltre che essere chiamato generatore di differenza di potenziale, viene chiamato anche generatore di tensione.

Oltre a conoscere il valore della quantità di energia che il generatore di tensione fornisce alle cariche elettriche, è molto importante in elettronica conoscere qual è il morsetto di emissione e quello di raccolta degli elettroni poiché questa informazione ci dice quale sarà il verso di spostamento degli elettroni all’interno del circuito, o in altri termini il verso della corrente elettrica.

Per convenzione il morsetto da cui vengono emessi gli elettroni viene chiamato polo negativo e viene indicato con il segno “-“, mentre il morsetto che raccoglie gli elettroni viene chiamato polo positivo e viene indicato con il segno “+”.

Per convenzione al polo positivo si associa il colore rosso mentre al polo negativo si associa il colore nero.

Figura 11: Parametri e caratteristiche principali di un generatore di tensione.

Va qui precisato che non sempre in un generatore di tensione il polo positivo ed il polo negativo permangono indefinitamente in corrispondenza degli stessi morsetti. Nel caso dei generatori che operano in corrente alternata, impiegati ad esempio per fornire energia elettrica alle nostre abitazioni (Figura 12), il polo positivo ed il polo negativo invertono più volte al secondo la loro posizione ed è per questo che si parla di corrente alternata, il cui simbolo è: “~”. Avremo modo di approfondire il funzionamento della corrente alternata in una lezione successiva che ci consentirà anche di comprendere meglio la scelta del simbolo ad essa associato.

Figura 12: Prese elettriche utilizzate negli impianti elettrici civili che operano in corrente alternata con valori di tensione pari a 230V.

Finora abbiamo pensato alla corrente elettrica come un movimento ordinato di elettroni che come detto sono cariche elettriche negative. D’altra parte questo è quanto realmente accade nei materiali conduttori solidi. Tuttavia, nessuno ci vieta di pensare idealmente ad una corrente elettrica come un movimento ordinato di cariche elettriche positive. In tal caso, è opportuno notare che queste cariche positive sottoposte all’azione di un generatore elettrico si muoverebbero con verso opposto rispetto agli elettroni; in altri termini le cariche elettriche positive si muoverebbero dal polo positivo al polo negativo del generatore elettrico. Questa osservazione non è un semplice dettaglio ma risulta molto importante perché in elettronica quando si parla di corrente elettrica in un circuito si pensa sempre ad un flusso di cariche positive anche se poi nella realtà sappiamo bene che sono gli elettroni e quindi le cariche negative a generare le correnti che fluiscono nel circuito. Quindi quando dovremo disegnare il verso di una corrente che attraversa un conduttore lo disegneremo indicando un movimento di cariche dal polo positivo al polo negativo come indicato in Figura 13.

Figura 13: Corrente elettrica generata da cariche positive in movimento. Al contrario delle cariche negative, tali cariche fluiscono dal polo positivo al polo negativo. Per convenzione, nei circuiti elettrici il verso delle correnti viene sempre indicato pensando al movimento di cariche positive.

Un discorso analogo vale per la differenza di potenziale. Sappiamo che gli elettroni sul morsetto negativo hanno maggiore energia potenziale rispetto agli elettroni presenti sul morsetto positivo del generatore elettrico. Nel caso di cariche positive il discorso si inverte ossia queste hanno maggiore energia potenziale al polo positivo rispetto al polo negativo. In elettronica quando dobbiamo esprimere una misura di differenza di potenziale per convenzione occorre pensare alle cariche positive. Quindi per convenzione la differenza tra il potenziale del morsetto positivo e quello del morsetto negativo genera un valore positivo di differenza di potenziale, al contrario la differenza tra il potenziale del morsetto negativo e quello del morsetto positivo genera un valore negativo di differenza di potenziale.

Ad esempio, come indicato in Figura 14, nel caso di una pila da 1.5 V, se misuriamo la differenza tra il potenziale del polo positivo ed il potenziale del polo negativo otterremo +1.5 V. Al contrario, se misuriamo la differenza tra il potenziale del polo negativo ed il potenziale del polo positivo otterremo -1.5 V.

Figura 14: Convenzione usata per il calcolo della differenza di potenziale (o tensione) misurata ai morsetti di una batteria. V⁺ indica il potenziale misurato al polo positivo, mentre V^– indica il potenziale misurato al polo negativo. In definitiva, per convenzione si assume che nei circuiti si propagano cariche elettriche positive e quindi il loro movimento va dal polo positivo al polo negativo dei generatori elettrici. Il movimento delle cariche elettriche positive è definito come corrente elettrica ed il verso di spostamento di tali cariche positive rappresenta il verso della corrente elettrica da esse generata. L’energia fornita dal generatore all’unità di carica positiva, al fine di metterla in condizioni di potersi muovere dal polo positivo al polo negativo, è in relazione diretta con la differenza tra il potenziale del polo positivo e quello del polo negativo del generatore elettrico.

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