La corrente elettrica

La corrente elettrica

Corrente elettrica: flusso ordinato di cariche elettriche tra due punti di un corpo conduttore aventi un diverso potenziale elettrico. Il flusso di carica elettrica in un conduttore può essere paragonato al moto di un fluido che scorre in un tubo; sulla base di questa analogia si definisce l'intensità di flusso, ovvero l'intensità della corrente elettrica, come la quantità di carica Δq che attraversa nell'unità di tempo una qualsiasi sezione del conduttore. In formule: i = Δq/Δt. Nel Sistema Internazionale, l'intensità di corrente rappresenta una grandezza fondamentale e si misura in ampere (A), vale a dire in coulomb/secondo.

Storicamente, i primi studi sulla corrente elettrica si devono ad Alessandro Volta. Sensibilizzato dalle osservazioni di Luigi Galvani, lo scienziato compì una lunga serie di esperimenti che lo portarono alla costruzione del primo generatore di corrente, un apparecchio in grado di mantenere cariche elettriche in moto lungo un circuito chiuso per un tempo indefinito. La 'pila di Volta' (così fu chiamato il generatore) divenne da allora uno strumento di estrema importanza per lo studio dei fenomeni elettrici.

Corrente elettrica nei solidi e nei fluidi

La corrente elettrica si propaga nei solidi, nei liquidi e nei gas secondo leggi diverse. Nei solidi è dovuta al moto di elettroni liberi che, per effetto del campo elettrico esistente fra due punti a diverso potenziale elettrico, migrano dal punto a potenziale minore verso quello a potenziale maggiore. Il moto di cariche negative in un senso equivale idealmente a un analogo moto di cariche positive nel verso opposto; poiché convenzionalmente si assume come verso positivo dell'intensità di corrente quello delle cariche positive, si dice che la corrente fluisce dal polo positivo (cioè dai punti a potenziale maggiore) al polo negativo (corrispondente ai punti a potenziale minore). Nella maggior parte dei casi, il flusso della corrente elettrica attraverso un conduttore solido segue le leggi di Ohm. È proprio sulla base della grandezza definita nella seconda legge di Ohm - la resistività - che si suddividono i materiali nelle tre categorie dei conduttori, degli isolanti e dei semiconduttori. Applicando le leggi di Kirchhoff, è possibile determinare l'intensità di corrente che attraversa un circuito.

Nei liquidi e nei gas, la carica elettrica non è trasportata da soli elettroni, ma anche da atomi o molecole ionizzati, vale a dire da ioni positivi e negativi; di conseguenza, la conduzione di elettricità è in generale un fenomeno più complesso.

Corrente continua

Se l'intensità della corrente elettrica è unidirezionale e costante nel tempo, si parla di corrente continua o stazionaria (DC, direct current). La corrente continua è quella che attraversa un conduttore cui sia applicata una differenza di potenziale costante: il numero di cariche che attraversano una sezione del conduttore rimane lo stesso durante tutta la durata del flusso. È continua, ad esempio, la corrente generata da una pila elettrica o da una dinamo.

Corrente alternata

Se il numero di cariche che attraversa una sezione di un conduttore nell'unità di tempo non è costante, ma variabile, si parla, appunto, di corrente variabile. In particolare, si dice corrente alternata, e si indica con la sigla AC (dall'inglese, Alternating Current), un flusso di cariche che varia periodicamente la propria intensità e il proprio verso tra un valore massimo i₀ e un valore minimo -i₀. È il tipo di corrente che circola nei circuiti domestici e industriali: viene prodotta nelle centrali elettriche da appositi generatori chiamati alternatori, e inviata alle linee di trasmissione, fino ai luoghi di utilizzazione.

Leggi di Ohm

Leggi di Ohm: leggi fisiche che definiscono il comportamento dei conduttori al passaggio di corrente elettrica. Enunciate dal fisico tedesco Georg Ohm tra il 1825 e il 1827, introducono una nuova grandezza fisica - la resistenza elettrica - e offrono un criterio di classificazione dei materiali in rapporto alla loro capacità di farsi attraversare dalla corrente.

Prima legge di Ohm

La prima legge di Ohm afferma che la differenza di potenziale (tensione) applicata ai capi di un conduttore è direttamente proporzionale all'intensità di corrente che in esso circola; la costante di proporzionalità prende il nome di resistenza e rappresenta la tendenza di un conduttore a ostacolare il passaggio della corrente elettrica. Nel Sistema Internazionale, la resistenza si misura in ohm (Ω). In forma matematica, la prima legge di Ohm si scrive ΔV = i R in cui "ΔV" indica la differenza di potenziale, "i" l'intensità di corrente ed "R" la resistenza. Tale legge permette di determinare, ad esempio, che è necessaria una differenza di potenziale di 10 V (volt) per far circolare una corrente di 2 A (ampere) in un conduttore che ha la resistenza di 5 Ω.

In realtà, la prima legge di Ohm non vale per tutti i conduttori; rappresenta piuttosto un criterio di classificazione dei materiali capaci di condurre corrente elettrica: quelli che rispettano la prima legge di Ohm, vale a dire che sono caratterizzati da una proporzionalità diretta tra tensione applicata e intensità di corrente, vengono detti ohmici; gli altri, non ohmici. Sono ohmici tutti i conduttori metallici tenuti a temperatura costante; sono non ohmici, ad esempio, i conduttori gassosi.

Esistono inoltre dei materiali che manifestano un comportamento anomalo nella conduzione di corrente elettrica: si tratta dei superconduttori che, al di sotto di una certa temperatura critica, specifica per ogni materiale, hanno resistenza elettrica nulla e possono mantenere indefinitamente il flusso di corrente, senza dar luogo a dissipazioni.

Seconda legge di Ohm

Il valore della resistenza di un conduttore dipende dalle sue caratteristiche geometriche e dal materiale di cui è costituito; in particolare, per un conduttore di sezione costante, (come un filo di rame) è direttamente proporzionale alla lunghezza e inversamente proporzionale all'area della sezione. In termini matematici questa dipendenza, nota anche come seconda legge di Ohm, si scrive: R = r l/S, dove l rappresenta la lunghezza del conduttore, S la sua sezione ed r la resistività, un parametro caratteristico di ciascun materiale. In sostanza, la legge afferma che, per ottenere un conduttore efficiente, è necessario sceglierlo di un materiale a bassa resistività, e inoltre di forma allungata e di sezione ampia.

La resistività

La resistività "r", introdotta nella seconda legge di Ohm, è il parametro utilizzato come criterio di classificazione dei materiali in rapporto alla loro capacità di farsi attraversare dalla corrente elettrica. Sulla base del suo valore si distinguono così tre categorie di sostanze: quella dei conduttori (con r compresa tra 10^-8 e 10^-5 ohm metro), quella degli isolanti (con r compresa tra 10¹¹ e 10¹⁷ ohm metro) e quella dei semiconduttori (con r compresa tra 10^-1 e 10⁴ ohm metro). La resistività di una data sostanza non è costante, ma varia al variare della temperatura. La legge che esprime questa dipendenza è r = r₂₉₃ (1 + a T) dove "r" è la resistività alla temperatura T (misurata in gradi Kelvin), "r₂₉₃" il valore della resistività misurato a 293 K (20 °C), a un parametro caratteristico di ogni materiale e ΔT la differenza di temperatura tra T e la temperatura di riferimento (293 K).

Il tipo di dipendenza della resistività dalla temperatura si spiega considerando la conduzione nei metalli dal punto di vista microscopico: nel loro moto di deriva, gli elettroni di conduzione sono ostacolati dagli ioni del reticolo cristallino, che vibrano intorno alla propria posizione di equilibrio in misura proporzionale alla temperatura del corpo. Tanto maggiore è la temperatura, tanto più ampi sono i moti vibrazionali di questi ioni, e quindi più frequenti gli urti che ostacolano la conduzione della corrente; quindi, maggiore è la temperatura, maggiore è la resistività del materiale.