Sebbene alla base dei fenomeni elettrici vi siano complesse interazioni tra gli atomi della materia, i concetti di base, se spiegati nel modo giusto, possono essere compresi da chiunque, anche da coloro che non hanno una formazione scientifica o tecnica. Abbiamo applicato questo approccio ai concetti di tensione, corrente e resistenza elettrica.

Una schematizzazione particolarmente semplificata da utilizzare come riferimento per la comprensione dell’argomento, è quella riportata di seguito.

  • Corrente elettrica: può essere immaginata come un flusso di palline (cariche);
  • Resistenza elettrica: Le palline di tale flusso, costrette a passare all’interno di un tubo (conduttore), durante il loro tragitto incontrano la resistenza opposta dal tubo;
  • Tensione elettrica: L’energia richiesta per far fluire le palline nel tubo è, in qualche modo, fornita dal generatore che causa la presenza di una tensione elettrica ai capi del conduttore.

Tenendo bene a mente questa schematizzazione semplificata, in questo articolo spiegheremo le leggi fondamentali alla base dei fenomeni elettrici. Alla fine sarai in grado di dare una risposta a molte delle domande che ti sei posto nel corso degli anni su questo argomento.

Leggi anche:
Studio dei circuiti: Legge di Ohm generalizzata e leggi di Kirchhoff
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Indice:

Relazione tra tensione, corrente e resistenza (Legge di Ohm)

Nella nostra schematizzazione semplificata del fenomeno, per spiegare appieno i meccanismi che regolano il passaggio di corrente all’interno del conduttore, serve prima fare alcune osservazioni:

  1. Serve immaginare di avere a disposizione tutte le palline necessarie a formare qualsiasi flusso, ovvero qualsiasi intensità di corrente;
  2. La resistenza elettrica è una caratteristica del tubo, ovvero del conduttore (filo elettrico) attraverso il quale fluisce la corrente;
  3. La tensione elettrica fornita dal generatore è una misura della sua capacità di trasferire energia alle palline per consentirgli di superare la resistenza del tubo.
  4. In assenza di un generatore, nel tubo non fluisce nessuna pallina.
  5. Quanto più il generatore è in grado di fornire energia, tanto più sarà il numero di palline che fluisce all’interno del tubo, ovvero tanto più alta sarà la corrente.

La resistenza del conduttore (tubo) è generalmente indicata con R e misurata in Ohm.
La tensione nominale del generatore, ovvero la sua capacità di fornire energia, è indicata con V (o con E) e misurata in V (Volts).
La corrente elettrica (flusso di palline) è generalmente indicata con I e misurata in A (Ampere).

La legge di Ohm stabilisce che:

V = R x I.

Questa legge ci fornisce quindi la relazione tra tensione, resistenza e corrente. In particolare stabilisce che, data la tensione (per esempio una pila da 1.5V comprata al supermercato), nel conduttore fluisce più corrente se la resistenza dello stesso è bassa e, viceversa, meno corrente se la resistenza dello stesso è alta.

La resistenza elettrica è quindi una caratteristica del “carico” connesso al generatore, sia che si tratti di un semplice filo elettrico o di un’apparecchiatura elettrica complessa. Se per esempio alla pila da 1.5V comprata al supermercato connettiamo una piccola lampada, la resistenza da considerare nella legge di Ohm è la somma della resistenza dei fili che collegano la pila alla lampada e della resistenza interna della lampada stessa.

La schematizzazione più semplice di un circuito con un generatore ed una resistenza è quella riportata di seguito:

tensione, corrente e resistenza

In generale esistono dei metodi per semplificare e schematizzare circuiti complessi, composti da diversi elementi (fili, carichi, ecc.), con il circuito riportato nella figura precedente. Questo infatti è da considerare come modello ogni volta che si ha la necessità di analizzare un fenomeno elettrico di base e come riferimento per la comprensione della legge di Ohm, secondo la quale, per aumentare la corrente serve utilizzare o una tensione maggiore o una resistenza più piccola e, viceversa, per ridurre la corrente serve o abbassare la tensione o aumentare la resistenza.

Resistenza dei conduttori e bipoli

Supponiamo di avere un conduttore lungo svariati km, vogliamo vedere quando è possibile immaginarlo come una semplice resistenza, che in generale è un particolare tipo di bipolo. Per un sistema che non ha dimensioni fisiche trascurabili rispetto alla causa, l’effetto dipende dallo spazio e dal tempo, al contrario per sistemi che hanno dimensioni fisiche trascurabili rispetto alla causa si può ritenere che l’effetto dipenda esclusivamente dalle caratteristiche del sistema. Nella seconda eventualità si dice che il sistema è a parametri concentrati. Nel caso dei circuiti è possibile dire che un circuito elettrico è a parametri concentrati e quindi riducibile ad un bipolo, quando le sue dimensioni fisiche sono trascurabili se confrontate con la minima lunghezza d’onda che investe il circuito. Per lunghezza d’onda s’intende lo spazio percorso da una perturbazione, rappresentata da una funzione periodica, nel tempo di un periodo, per esempio nel caso delle onde elettromagnetiche la lunghezza d’onda è lo spazio percorso dalla luce in un periodo.

E’ stato già affermato che la causa del movimento di cariche all’interno di un conduttore è la tensione, o differenza di potenziale (d.d.p.), imposta dal generatore. Formalmente la d.d.p. tra due punti A e B di un qualsiasi circuito è il lavoro che deve compiere il campo elettrico per spostare una carica da A a B. I dispositivi in grado di fornire una d.d.p cioè di compiere questo lavoro, sono detti appunto generatori, e più precisamente questi dispositivi generano una forza elettromotrice (f.e.m.), anche se dimensionalmente questa è la stessa cosa di una d.d.p.
E’ importante distinguere i bipoli attivi dai passivi, per bipolo attivo generalmente si intende un bipolo in grado di generare potenza o erogare tensione, al contrario un bipolo è passivo se dissipa energia, il che è equivalente a dire che assorbe potenza.
Da quanto detto è ormai scontato che l’effetto dell’applicazione di una d.d.p. ai morsetti di una resistenza, è la circolazione di una corrente.

Si dice che il bipolo (resistenza) è lineare se la sua caratteristica è una retta, ovvero obbedisce ad una legge lineare quale appunto è la legge di Ohm. Inoltre tale retta deve essere passante per l’origine, il che vuol dire che per tensione nulla la corrente deve essere nulla. Nella leggo di Ohm il termine R, ovvero la resistenza, rappresenta il coefficiente angolare della caratteristica.

Generatori

Come è stato già detto, i generatori fanno parte dei cosiddetti bipoli attivi, ovvero dei bipoli che sono in grado di generare potenza o erogare tensione. E’ possibile fare una prima classificazione: principalmente i generatori possono essere di tensione o di corrente. Ancora i generatori di tensione o di corrente possono essere ideali o reali. Un generatore è ideale quando non ha alcuna resistenza interna, in altre parole non ha auto consumi. Osservando le caratteristiche qui riportate è possibile notare qual è la differenza sostanziale tra generatore di tensione ideale e reale:

caratteristica generatore di tensione

E’ quindi evidente che un generatore di tensione ideale fornisce una tensione costante indipendentemente dalla corrente che lo attraversa. Questo è dovuto al fatto che al suo interno non vi è alcuna resistenza e quindi alcuna caduta di tensione.
Al contrario in quello reale la caduta di tensione è tanto più elevata quanto più intensa è la corrente che lo attraversa (per la legge di Ohm). E’ possibile quindi concludere che un generatore reale di tensione non è un bipolo lineare, ma è importante precisare che un sistema comunque complesso è lineare se i bipoli che lo compongono sono lineari fatta eccezione per i generatori.

Per generatore di corrente s’intende invece un dispositivo che impone la corrente alla maglia, in altre parole che fa circolare sempre la stessa corrente indipendentemente dal carico. Ovviamente anche in questo caso è possibile distinguere generatori ideali da reali:

caratteristica generatore di corrente

A differenza del generatore di tensione reale, in cui la resistenza interna del dispositivo risulta in serie, nel generatore di corrente la resistenza interna è in parallelo al generatore stesso. Da ciò ne segue che un generatore di corrente è ideale quando ha resistenza interna infinita. In tale situazione la corrente erogata coincide con quella che attraversa il carico. Cosa che non avviene come è possibile notare dalla caratteristica esterna se la resistenza ha un valore finito (generatore di corrente reale).
Infine un generatore di tensione o corrente si dice dipendente se la grandezza che esso fornisce dipende da qualche parametro, indipendente altrimenti.

Per capire meglio il concetto, quel dispositivo che viene erroneamente chiamato “dinamo” di cui sono fornite le biciclette, è un generatore dipendente in quanto la tensione da esso generata dipende dalla velocità con cui gira la ruota.

La simbologia generalmente usata per i generatori è la seguente:

simboli generatori di tensione e corrente


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