Elettricità
Con il termine “elettricità” siamo soliti indicare una serie di fenomeni interattivi tipici dell'elettromagnetismo, il cui studio prevede il possesso di nozioni di matematica e fisica che superano la portata dell'iniziativa qui intrapresa.
Anche senza queste nozioni è però possibile apprendere, per linee generali, gli aspetti più importanti e basilari legati all'elettromagnetismo, all'elettrostatica e, di conseguenza, a tutta quella serie di fenomeni che permettono il funzionamento di un amplificatore a valvole.
Per avvicinarsi al concetto di elettricità, è necessario comprendere il concetto di carica elettrica delle particelle a livello molecolare, descrivendo la struttura atomica di base nei suoi elementi subatomici essenziali:
Neutroni (particelle di maggiore massa e carica neutra, cioè pari a zero)
Protoni (massa minore rispetto ai neutroni e carica positiva di segno +)
Elettroni (massa trascurabile rispetto ai primi, carica negativa di segno -)
Queste particelle subatomiche formano gli Atomi che, a loro volta si riuniscono (in un numero maggiore o uguale a uno) a formare le Molecole.
L'Atomo è formato da un Nucleo ed un Guscio elettronico:
Nucleo (formato dall'unione di neutroni e protoni, ha carica positiva)
Guscio (formato da elettroni, con carica -, che ruotano attorno al nucleo)
L'equilibrio che tiene insieme questa struttura è complesso, ma per comprenderlo è necessario chiarire il modo in cui le cariche interagiscono:
-
Due cariche identiche (che siano positive o negative entrambe) si respingono.
2) Due cariche opposte, al contrario, si attraggono.
Come si può facilmente dedurre da quanto detto sopra, il nucleo di un atomo ha una massa ben maggiore rispetto a quella dei singoli elettroni, i quali risultano essere le particelle subatomiche più “mobili”. Tale concetto ci tornerà molto utile nella definizione della Corrente Elettrica.
Infatti quando si parla di elettricità nei conduttori metallici, ci si riferisce indirettamente ad un flusso di elettroni (cioè cariche negative di segno -) che costituiscono la Corrente Elettrica (non la Tensione, che approfondiremo tra poco).
In natura, la materia è composta dall'unione di più atomi ed ogni materiale avrà una composizione atomica tale da determinare tre possibili comportamenti da parte degli elettroni presenti: movimento quasi libero, quasi nessun movimento, movimento vincolato ad una sola ed unica direzione.
In base a questi tre comportamenti, i materiali si possono dividere in tre grandi famiglie, rispettivamente:
Conduttori
Isolanti
Semiconduttori
Il potere di ostacolare più o meno il passaggio di una corrente elettrica è legato alla Resistenza del materiale stesso (negli ottimi conduttori è minima, negli isolanti è massima). Ad eccezione dei Superconduttori in condizioni di laboratorio ben precise, in natura non esistono conduttori con resistività zero o infinita, ma solo con valori abbastanza bassi o abbastanza alti da permetterne la classificazione già citata.
Tensione, Corrente, Resistenza, Potenza e relative unità di misura.
Immaginiamo di avere un conduttore, ad esempio un filo di rame, una lampadina ed una pila, collocati come in figura 1.
Ai due poli della pila sarà presente una Tensione (alias Differenza di Potenziale alias Forza Elettromotrice). Tensione e Corrente sono maggiormente comprensibili se considerate in correlazione:
L'azione di una Forza Elettromotrice agisce sulle Cariche compiendo un Lavoro che mette queste ultime in Moto.
L'Intensità di Corrente descrive il moto delle cariche (flusso di elettroni).
La Tensione descrive il lavoro compiuto per portare queste cariche da una posizione all'altra (nel caso dell'esempio, dal polo negativo a quello positivo della pila).
La Corrente ha una direzione e, in funzione di ciò, può essere alternata o continua. L'unità di misura della Corrente è l'Ampère (A).
La Tensione si misura in Volt (V), questa può essere positiva o negativa, ma non ha verso come la Corrente.
La Resistenza di un conduttore è la capacità intrinseca di opporsi, in misura maggiore o minore, al passaggio della corrente (discorso già affrontato per conduttori ed isolanti). La Resistenza si misura in Ohm (Ω).
La Potenza si misura in Watt (W) e descrive il Lavoro compiuto nell'Unità di Tempo.
La Potenza, la Tensione, la Resistenza e la Corrente sono in relazione tra di loro secondo la Legge di Joule e la Legge di Ohm:
P=VxI Potenza uguale a Tensione per Corrente e quindi
W=VxA Watt uaguale a Volt per Ampère (Legge di Joule)
Se consideriamo che V=RxI (Legge di Ohm), cioè Tensione uguale a Resistenza x Corrente e quindi V=ΩxA, cioè Volt uguale a Ohm per Ampère, avremo:
P=RxI²
W= ΩxA²
Quindi, disponendo di due fattori tra i quattro considerati (Watt, Volt, Ampère, Ohm) possiamo ricavarci i restanti:
Per i Volt: V=ΩxA
V=W/A
V=(WxΩ)
Per gli Ampère: A=V/Ω
A=W/V
A=(W/Ω)
Per gli Ohm: Ω=V / A
Ω=V²/ W
Ω=W / A²
Per i Watt: W= VxA
W= V² / Ω
W= A² x Ω
Le considerazioni fatte finora saranno ripercorse appena giungeremo ai teoremi di Thevenin e Kirchhoff, necessari per ulteriori approfondimenti.
Corrente Convenzionale e Corrente nei Conduttori Metallici
Una distinzione necessaria nel definire la corrente è quella tra corrente convenzionale e corrente nei conduttori metallici. Infatti, come detto finora, la corrente in un conduttore metallico è rappresentata da un flusso di elettroni (con carica negativa di segno -) che si muove dal polo negativo (che emette elettroni) al polo positivo (che li riceve). Per Corrente Convenzionale non si può intendere solo questo fenomeno, in quanto nei conduttori non metallici sono possibili anche flussi di cariche positive allo stato di Ioni (molecole o atomi con deficit o surplus di elettroni). Pertanto, per convenzione, la Corrente Convenzionale si intende come un flusso di Cariche Positive. Questa precisazione è necessaria per evitare in futuro possibili confusioni durante lo studio dei conduttori non metallici e dei semiconduttori. Pertanto, sarà opportuno fin da ora precisare se il conduttore in causa sia metallico o meno per individuare subito in quale verso si forma la corrente.
Corrente Continua (CC o DC)
Una corrente si dice continua quando il flusso delle cariche che la formano hanno intensità e direzione costanti nel tempo.
Ad esempio, la corrente continua è quella che viene erogata, da pile (o batterie). Per gli alimentatori che convertono da Alternata in Continua faremo un discorso più approfondito in seguito.
Tensione Continua (VDC o VCC)
Una tensione si dice continua quando la differenza di potenziale è erogata senza variazioni nel tempo ed ha valore costante. Il moto delle cariche avviene cioè secondo le leggi della corrente continua e le fonti solo le stesse prese in esempio nel paragrafo precedente (pile o batterie).
Esempio di riepilogo
Si consideri la figura 1. Nel disegno compaiono una pila di un certo voltaggio, collegata tramite due conduttori metallici (di colore nero per il negativo e rosso per il positivo) un interruttore ed una lampadina ad incandescenza.
Innanzitutto, è subito evidente, trattandosi di una batteria che ci troviamo ad operare con una tensione continua e sarà tale di conseguenza anche corrente. Essendo il conduttore (filo di rame) di tipo metallico, ci sarà su di esso un movimento di elettroni dal negativo al positivo (corrente reale), mentre sappiamo che per la corrente convenzionale vale il discorso opposto. Pertanto, quello che è convenzione va accettato come tale ed avrà la sua importanza nello studio di un circuito più avanti, ma è preferibile in questa sede soffermarsi sul flusso reale di elettroni. L'interruttore in figura 1 è chiuso e quindi c'è una reale via di fuga ininterrotta tra i due poli che permette agli elettroni di fluire. A metà percorso, la lampadina intercetta la corrente e, grazie alla sua resistenza interna, ne lascia passare solo una data quantità: cosa succede al resto della corrente? Semplicemente diventa luce. Infatti, la corrente in eccesso non viene semplicemente bloccata, ma viene dissipata in potenza (misurabile in Watt, come riportato di solito su ogni lampadina). Dissipare la Potenza attraverso la Resistenza di un conduttore, significa convertire l'energia in calore e questo, dissipando sul filamento della lampadina in condizioni di sottovuoto o in presenza di gas particolari, si tramuta in luce. Tutto ciò in semplice ossequio al principio di conservazione dell'energia totale di Lavoisier;
In natura nulla si crea e nulla si distrugge, ma tutto si trasforma.
Sempre in ossequio a questa legge e rispettando i principi di un sistema conservativo (tendente cioè a conservare o ripristinare le condizioni di equilibrio), si può notare un'altra differenza sostanziale nelle differenti proprietà di tensione e corrente: aprendo il contatto dell'interruttore (quindi interrompendo la continuità del conduttore tra i due poli della batteria) cesserà solo il flusso di elettroni (corrente) mentre ai due poli della batteria resterà intatta la stessa differenza di potenziale (tensione).