Similitudini utili per capire i circuiti elettrici

Avendo studiato l’elettricità solo in occasione dell’esame di Fisica II all’università (l’ultimo esame che ho sostenuto tra l’altro, il che era concesso in quanto avendo studiato Ingegneria ambientale non era propedeutico ad altre materie) quando si è trattato di ripassarla per fare ripetizioni ho cercato di aiutarmi il più possibile con similitudini afferenti ad aspetti della fisica che conosco meglio, ad esempio l’idraulica (quella sì che l’ho studiata bene, dato che sono quasi un ingegnere “fogniario”)

Mi sono basata sul libro di fisica Amaldi per il liceo scientifico, in cui questo argomento è spiegato abbastanza bene.

La corrente elettrica, una delle 7 grandezze fondamentali del Sistema Internazionale, è definita come un moto ordinato di cariche elettriche o di ioni.

In un conduttore questo moto coinvolge in genere le cariche negative, cioè gli elettroni.

Un generatore di tensione crea una specie di “squilibrio” che fa muovere le cariche, come se fossero biglie che si mettono in moto quando incliniamo un piano: le cariche tendono a colmare lo squilibrio creato passando da una zona all’altra.

Il verso della corrente si considera opposto a quello in cui viaggiano gli elettroni:

La differenza di potenziale è lo squilibrio che genera questo movimento: mentre le cariche positive tendono a muoversi verso punti a potenziale più basso, quelle negative si muovono naturalmente da punti a potenziale minore verso punti a potenziale maggiore.

Ciò è dovuto al fatto che le particelle tendono spontaneamente a diminuire la loro energia potenziale, come un auto che tende a scendere quando si trova in un pendio (ΔU=Ufin-Uin<0, poiché Ufin<Uin).

Per le cariche positive la differenza di potenziale ha lo stesso segno della differenza di energia potenziale:

ΔV=ΔU/q e q è positiva, quindi ΔV=Vfin-Vin<0 e Vfin<Vin

e le cariche positive tendono a muoversi spontaneamente da punti con potenziale maggiore a punti con potenziale minore

Per le cariche negative, invece, la differenza di potenziale ha segno opposto a quello della differenza di energia potenziale:

ΔV=ΔU/q e q è negativa, quindi ΔV=Vfin-Vin>0, Vfin>Vin

e le cariche negative tendono a muoversi spontaneamente da punti con potenziale minore a punti con potenziale maggiore.

Un circuito elettrico è formato da diversi contribuenti:

  • uno o più generatori (ad esempio pile), che causano la differenza di potenziale
  • dei fili metallici, che fungono da conduttori
  • uno o più dispositivi che si accendono al passare della corrente (ad esempio lampadine).

Una delle caratteristiche di un circuito è l’intensità della corrente che fluisce all’interno di esso, definita dalla quantità di carica che attraversa una sezione di un conduttore in un certo intervallo di tempo.

L’intensità di corrente, quindi, di esprime come rapporto tra la carica elettrica e l’intervallo di tempo e viene misurata in C/s, che nel Sistema Internazionale si indica come ampere (A):

Per convenzione si considera come verso di percorrenza della corrente elettrica quello che percorrono le cariche positive, che quindi va dai punti a potenziale più alto verso i punti a potenziale più basso.

L’intensità di corrente, poi, può essere costante (corrente elettrica continua) o variabile nel tempo.

i=ΔQ/Δt

Quando varia nel tempo è preferibile descriverla come la derivata della carica sul tempo:

Le cariche elettriche tenderebbero a muoversi spontaneamente per effettuo di una iniziale differenza di potenziale, ma questa, con il fluire delle cariche, diminuirebbe progressivamente fino ad annullarsi; a questo punto si fermerebbero anche le cariche elettriche, ponendo fine al flusso di corrente.

Per mantenere un flusso di corrente continuo è necessario un generatore, che permetta di ristabilire costantemente la differenza di potenziale.

Per farlo, il generatore trasporta le cariche positive da dove il potenziale è più basso per portarle dove è più alto, così da permettere loro il moto naturale verso punti a potenziale minore; questo processo, per un generatore ideale di tensione continua, avviene sempre e costantemente.

Il generatore può essere paragonato a una pompa, che trasferisce energia potenziale all’acqua, elevandola a una certa altezza, dandole la possibilità di cadere attraverso le tubazioni e di ripercorrere continuamente un circuito chiuso.

I diametri dei tubi simulano la resistenza e la portata dell’acqua simula la corrente.

La corrente riesce a passare o meno a seconda che i circuiti elettrici siano chiusi o aperti. I circuiti, inoltre, possono avere collegamenti in serie e in parallelo.

Un circuito collegato in serie viene attraversato dalla stessa corrente elettrica in ognuno dei suoi punti: i resistori si trovano disposti in successione tra loro.

Circuito elettrico con collegamenti in serie.

Un circuito in serie può essere paragonato a una cascata che si divide in più salti vista di profilo:

Un circuito in cui i conduttori sono collegati in parallelo, invece, è caratterizzato dal fatto che i conduttori hanno tutti le estremità connesse tra loro; di conseguenza essi sono sottoposti alla stessa differenza di potenziale.

Circuito elettrico con collegamenti in parallelo.

Un collegamento in parallelo può essere paragonato a una cascata che si divide in più rivoli vista di fronte:

In entrambi i casi la resistenza è come un individuo dispettoso che cerca di impedire alla corrente di passare, mentre la differenza di potenziale cerca di far scorrere il traffico… e questa che segue è la rappresentazione migliore della prima legge di Ohm!

Infine, qualche video interessante:

Pubblicato da Claudia Sorcini - Lezioni e traduzioni scientifiche e tecniche

With a Master's Degree in Engineering and a strong passion for languages, I love continuous learning and sharing knowledge.

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