Premessa

Proseguo il trasferimento dei post su Facebook nel mio blog per movimentare questo spazio.
A chi lo frequenta da tempo, oltre che ad aver poco bisogno di queste informazioni, voglio dire che sono una specie di riscrittura del Corso di Elettrotecnica di base di oltre vent'anni fa, ripreso anche da lillo nel suo blog, per l'esperimento provato sul famoso Social che, per inciso, è quello più adatto a quelli della mia età.

In alcune sostanze, gli isolanti, nessun elettrone si sposta dal volume controllato dal loro nucleo; in altre invece gli elettroni più distanti riescono a liberarsi dal vincolo che li lega ad esso, diffondendosi nel reticolo in una zona che è chiamata banda di valenza, poiché gli elettroni che la occupano sono gli elettroni di valenza responsabili primari della formazione dei composti chimici. L’insieme di questi elettroni liberi è paragonabile ad un gas. Il loro vagare attraverso il reticolo è rapidissimo e casuale, con velocità determinata dalla temperatura.

Questa specie di gas può essere messa in movimento in una direzione preferenziale, come il fluido in una tubazione. È quel fa il generatore elettrico, il quale non genera alcuna carica elettrica, ma crea un campo di forze che sollecita le cariche esistenti. Esso è paragonabile ad una pompa che mette in movimento le particelle di un fluido, senza crearle, come ben sappiamo.

Le sostanze che dispongono di elettroni liberi sono i metalli ed è il movimento del loro insieme in una direzione determinata che chiamiamo corrente elettrica. Per questa possibilità i metalli sono detti conduttori. Oltre ai conduttori ed agli isolanti, esiste una terza categoria di sostanze, dette semiconduttori, in cui l’esistenza di elettroni liberi dipende alla temperatura, ma la cui importanza è legata a trattamenti tecnici, chiamati drogature, che permettono di generare elettroni liberi (drogatura di tipo N) o celle per catturare elettroni, dette lacune, che si comportano come cariche positive ciascuna dello stesso valore di quella dell’elettrone ( drogatura di tipo P). I semiconduttori sono alla base di tutte le moderne apparecchiature elettroniche.

La corrente elettrica come cariche in movimento fu una deduzione antecedente alla scoperta dell’elettrone, avvenuta nel 1897 con gli esperimenti di J.J. Thomson (1856-1940) sui raggi catodici. Si era ipotizzato che fossero le cariche positive a spostarsi, e si assunse allora come verso della corrente quello del loro moto d’assieme. Gli elettroni però si muovono in senso opposto, ma il verso della corrente è stato mantenuto ed è stato chiamato verso convenzionale.

In alcune situazioni, quelle, tra l’altro, che hanno permesso la costruzione del primo generatore, ci sono cariche positive e negative che si muovono in senso opposto dando origine ad una corrente elettrica. Succede nelle soluzioni, dove la molecola di un sale (ad esempio il cloruro di sodio, NaCl) si scompone in ioni positivi di sodio (Na+) e ioni negativi di cloro (Cl-). Gli ioni sono atomi (o gruppi di atomi) che hanno una carenza di elettroni (ioni positivi) od un eccesso di elettroni (ioni negativi). Essi hanno perciò sempre una carica elettrica uguale o multipla della carica elementare ma, com’è facile intuire, una massa molto più grande.

Il movimento di un insieme di particelle qualsiasi, lo chiamiamo flusso e può efficacemente essere descritto dal numero di particelle che attraversano una sezione di controllo.

Il flusso delle particelle materiali che costituiscono un fluido è caratterizzato con la grandezza che chiamiamo portata e che ci dice quanta massa attraversa la sezione di controllo nell’unità di tempo. Una grandezza analoga è definita per la corrente elettrica ed è chiamata intensità di corrente. Essa dipende dal numero di particelle cariche transitanti e dalla velocità che le accomuna, cioè dalla quantità di elettricità che attraversa la sezione di controllo.

L’intensità di corrente è definita dunque come la quantità di elettricità che attraversa la sezione di controllo del flusso di cariche in un corpo nell’unità di tempo, cioè, matematicamente:

I = Q / t

dove Q è la quantità di elettricità che, nell’intervallo di tempo t ha attraversato la sezione di controllo.

Quantità di elettricità contiene una sottile distinzione rispetto a quantità di carica, sottolineando che i fenomeni elettrici che si osservano all’esterno di un volume occupato da cariche di segno opposto sono dovuti alla somma algebrica dei loro valori.

Nel caso in cui, come succede nelle soluzioni elettrolitiche, transitino attraverso la sezione cariche di segno opposto in senso opposto, occorre fare la somma aritmetica dei loro valori assoluti. La somma algebrica va eseguita per cariche di segno opposto che si muovono nello stesso senso: un conduttore che trasla non dà origine ad una corrente in quanto le cariche negative si muovono nello stesso senso dell’ugual numero di cariche positive che esso contiene.

L’intensità di corrente è espressa da un numero relativo. Il valore assoluto è la sua misura in ampere che, come deducibile dalla precedente definizione, corrisponde a coulomb diviso secondo. Il segno è riferito al verso convenzionale scelto preventivamente ed arbitrariamente per la corrente nel corpo in esame. Se positivo, significa che le cariche positive si muovono proprio secondo il verso prefissato o, ciò che è lo stesso, le cariche negative si muovono in senso opposto. Il contrario se il segno dell’intensità è negativo.

Il campione di unità di misura assunto per le grandezze elettriche nel SI, è proprio l’ampere. Le ragioni risiedono nel fenomeno fisico di riferimento che è facilmente riproducibile in ogni attrezzato laboratorio.

Si chiama ampere assoluto ed è definito come l’intensità di quella corrente che attraversando due fili paralleli di sezione trascurabile, di lunghezza teoricamente infinita, posti alla distanza di un metro nel vuoto, determina in essi una forza trasversale di attrazione (correnti equiverse) o di repulsione (correnti controverse) che, per ogni metro di lunghezza dei fili vale 20 micro newton.

Il coulomb è perciò una grandezza derivata, chiamata ampere x secondo. Non sarà inutile ricordare che proprio un multiplo di questa grandezza è usato per definire la carica di una batteria per autoveicoli. Si parla in questo caso di ampere x ora che corrispondono a 3600 ampere x secondo cioè 3600 coulomb.

Attualmente però le batterie di accumulo usate negli impianti fotovoltaici o nei veicoli elettrici vengono caratterizzate non con la carica accumulata ma con l’energia che sono un grado di erogare, energia misurata in chilowattora (kWh). Energia (chilowattora) e potenza (chilowatt kW) non sono la stessa cosa, come purtroppo, quasi sempre si sente in servizi giornalistici, e saranno trattate successivamente in questi appunti.

È importante considerare anche l’intensità di corrente specifica detta densità di corrente, J. Essa è definita dal rapporto tra l’intensità di corrente, I, e l’area, A, della sezione di controllo perpendicolare al movimento delle cariche:J = I / A. È la grandezza che meglio ci informa sul grado di sollecitazione subita dal conduttore per il movimento di cariche. È proporzionale al numero di elettroni liberi per unità di volume, alla carica dell’elettrone, alla velocità di spostamento che li accomuna. Quest’ultima è nettamente inferiore alla velocità che ogni singolo elettrone possiede per effetto della temperatura. Il suo ordine di grandezza è, ad esempio, dell’ordine dei decimi di millimetri al secondo nel rame quando la densità è di 10 A per millimetro quadro.

Quanto descritto finora con parole che dovrebbero aiutare a comprendere il fenomeno visualizzandolo, come dire, agli occhi della mente, trova una sintesi matematica e grafica nella figura proposta.

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