Effetti della corrente elettrica: una panoramica completa
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esperimento
> osservare gli effetti della corrente
elementi :
→ pila = generatore di corrente
→ il filo = conduttore
→ lampadina = rilevatore
La lampadina si accende solo sé il circuito elettrico è chiuso
Il filo connette i 2 poli del generatore ( + e - ) ai 2 poli della lampadina → la lampadina ha una struttura bipolare, gli isolanti devono separate elettricamente i due poli
La pila si scarica = principio di conservazione dell’energia
La luce emessa dalla lampadina non dipende dalla posizione, ad esempio dalla vicinanza al generatore
La corrente elettrica che attraversa un circuito elettrico è un movimento di cariche elettriche Moto delle cariche elettriche in un circuito
In un circuito (privo di interruzioni) una particella carica positivamente si muove lungo le linee del campo elettivo, nel verso concorde a esse > particella respinta dalle cariche + e attratta dalle cariche -
Mentre, una particella carica negativamente si muove sempre lungo le linee del campo, ma in verso opposto
Queste cariche sono trasportare da guide = fili o cavi metallici ricoperti da materiali isolanti Intensità di corrente
I =ΔQ / Δ𝑡 → rapporto tra la quantità di cariche che passa attraverso la sezione trasversale del conduttore in un intervallo di tempo Δ𝑡 e lo stesso intervallo
Formule inverse
ΔQ= I ·Δ𝑡 Δ𝑡=ΔQ / I
Unità di misura > Ampere (A) 1A=1C/1s
1C > 6,25×1018 e
1A > 6,25×1018 e
Per correnti di bassa intensità si USA il milliampere 1mA= 10-3A (esempio: 50mA = 0,05A) Verso positivo della corrente → opposto alla velocità degli elettroni
2 cariche di uguale valore assoluto ma di verso opposto (+ -), non si annullano, contribuiscono a formare una corrente globale nello stesso verso .
Velocità di deriva
Nei conduttori metallici la corrente elettrica è dovuta solo agli elettroni che sono liberi di sganciarsi dall’atomo e si spostano all’interno del materiale (=sezione del conduttore). Gli elettroni si muovono con un moto disordinato dell’ordine di 104-105 m/s. Quando si applica una differenza di potenziale ai capi del conduttore, si genera un campo elettrico. In presenza di un campo elettrico, gli elettroni iniziano a muoversi nella direzione del campo elettrico → la componente della velocità degli elettroni nella direzione del campo elettrico è chiamata velocità di deriva (>velocità media)
Dimostrazione formula
I=ΔQ/Δ𝑡 ΔQ=𝑒·𝑛·(𝑠·𝑣Δ𝑡)→v=ΔQ/Δ𝑡·𝑒·𝑛·𝑠
ΔQ/Δ𝑡=Iquindi→v=I/𝑒 · 𝑛 · 𝑠
I: intensità di corrente (1A)
𝑒: carica elementare (~10-19C)
𝑛: numero di elettroni di conduttività per unità di volume (~1023 al cm3)
𝑠: sezione del conduttore
Ordine di grandezza (velocità di deriva) ≃1/10-19 ·1023 ·10-2 cm/a≃10-2cm/s
1° legge di ohm
Resistenza = rapporto tra la differenza di potenziale e intensità di corrente, indipendente dalla differenza di potenziale ΔV e dall’intensità di corrente I
R=ΔV / I
I= ΔV / R
ΔV = RI
unità di misura Ω → 1Ω = 1V / 1A
simbolo grafico della resistenza
L’intensità di corrente è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale (> al raddoppiare della differenza di p. Raddoppia l'intensità) ed è inversamente proporzionale alla resistenza (al raddoppiare della resistenza, l’intensità dimezza).
La potenza elettrica
P= ΔU / Δt → ΔU= ΔV · ΔQ sostituisco nella formula iniziale → P= ΔV · ΔQ / Δt
Siccome ΔQ / Δt = I → P=VI
La potenza elettrica assorbita (o dissipata) da un conduttore è uguale al prodotto tra la differenza di potenziale applicata ai capi del conduttore la corrente elettrica che scorre nel conduttore la corrente elettrica che scorre nel conduttore
unità di misura: 1W→ 1V · 1A = 1J / 1C · 1 / 1s semplifico coulomb → 1J / 1S = 1W ddp=Lab/q(1J/1C) I= ΔQ/Δt(1C/1s)
1 kWh è una misura di energia, l’energia assorbita in un ora da un utilizzatore che ha una potenza di 1kW > 1 kWh =1 kW · 1 h = 1000 W · 3600 s = 3,6 · 106].
Effetto joule
Un conduttore percorso da corrente si riscalda, ovvero disperde calore nell’ambiente = effetto joule
Q=RI2Δt→I2 =Q\R·Δt→I=√Q·Δt
Il calore Q dissipato per effetto joule da una resistenza in un tempo Δt è direttamente proporzionale alla resistenza R del conduttore, al quadrato della corrente I che lo attraversa e al tempo Δt
1 Gli effetti della corrente elettrica
Come è noto, sé a un conduttore solido (un metallo) si applica una differenza di potenziale (d.D.P.) costante, nel conduttore si genera un flusso ordinato di cariche elettriche negative (elettroni) denominato corrente elettrica la cui intensità i assume valore costante e si parla di corrente continua (le cariche si muovono nello stesso verso, con velocità mediamente uguale).
L'intensità di corrente (misurata in ampere, A) esprime la quantità di carica (in coulomb, C) che fluisce attraverso una sezione del conduttore nell'unità di tempo (in secondi, s):
carica elettrica (C)
intensità di corrente
Q
At
intensità di corrente (A)
unità di tempo (s)
Si ricordi che per convenzione il verso della corrente elettrica è opposto a quello delle cariche negative.
La d.D.P. (in volt, V) e l'intensità di corrente nel metallo sono tra loro legate dalla prima legge di Ohm, in cui la costante di proporzionalità R è la resistenza elettrica (espressa in ohm, 92) del conduttore:
resistenza elettrica (22)
prima legge
di Ohm
V = RI
d.D.P. (V)
intensità di corrente (A)
Dunque, per un fissato valore di V l'intensità di corrente è tanto minore quanto maggiore la resistenza del conduttore e viceversa.
Una corrente elettrica può fluire non solo in un solido, cui in prima battuta si fa riferimento, ma anche in un liquido (una soluzione elettrolitica) o in un gas: mentre in un metallo si ha movimento solo di cariche negative (gli elettroni), in un liquido o un gas contribuiscono alla corrente anche cariche positive (ioni).
Sé la d.D.P. Applicata ai capi del conduttore non è costante ma varia sinusoi-dalmente nel tempo, anche l'intensità di corrente varia sinusoidalmente: si dice che la corrente è alternata e le cariche (gli elettroni) "oscillano" con una certa frequenza, che nel caso della corrente alternata prodotta industrialmente nelle centrali elettriche e immessa nella rete elettrica vale 50 H7.
In caso di intensità o tensioni variabili sinusoidalmente da istante a istante, ci si riferisce di norma a valori medi, chiamati valori efficaci.
In un circuito puramente resistivo, ossia nel quale siano trascurabili i componenti induttivi e capacitivi, la relazione tra V e i è ancora espressa dalla legge di Ohm.
Parlando in generale, una corrente elettrica può dare luogo a vari effetti:
• effetto termico o effetto Joule: il corpo attraversato dalla corrente si riscalda;
• effetto magnetico: una corrente elettrica genera nello spazio un campo magnetico;
• effetto chimico: sotto appropriate condizioni, l'energia elettrica associata alla corrente si trasforma in energia chimica (si pensi al processo di carica di un accumulatore) o, viceversa, energia chimica immagazzinata in una batteria si trasforma in energia elettrica;
• effetto biologico: una corrente elettrica che fluisce in un organismo vivente può interferire con le funzioni vitali, arrivando anche a produrre la morte:
si parla di folgorazione, elettrocuzione o shock elettrico.
Si parla di rischio elettrico (si veda il » PERCORSO 3) in relazione alla probabilità che si produca un evento dannoso a seguito di un contatto fisico con elementi sotto tensione: sé questi sono progettati per essere ordinariamente sotto tensione, si ha contatto diretto; sé invece l'elettrocuzione avviene per contatto con elementi che di solito non sono sotto tensione, ma che tali risultano a causa di guasto o riduzione dell'isolamento, si parla di contatto indiretto.
2 Dati statistici
Alcuni dati statistici danno l'idea di quale possa essere la pericolosità dell'energia elettrica: secondo l'ISTAT, in Italia avvengono mediamente ogni anno circa 400 infortuni mortali per elettrocuzione (il 4,5% del totale: percentuale circa 30 volte maggiore di quella corrispondente all'insieme degli infortuni non elettrici). Dei circa 4 milioni di incidenti domestici annui, circa 240 mila
sono di origine elettrica.
In ambito domestico, la maggior parte degli infortuni avviene in bagno; in ambito lavorativo, sono i cantieri edili a registrare un'elevata percentuale di infortuni elettrici, che si verificano sulla betoniera, nell'uso degli apparecchi portatili, per contatto con linee elettriche aeree ecc. Si stima che circa il
10-15% degli incendi abbia origine da malfunzionamenti dell'impianto elettrico o degli apparecchi utilizzatori: si tratta di circa cinquemila incendi "da causa elettrica" all'anno.
13 Gli effetti dell'elettricità sul corpo umano
Gli effetti della corrente elettrica sul corpo umano, che è un discreto conduttore essendo in gran parte composto da una soluzione salina, sono studiati nell'ambito dell'elettrofisiologia. La struttura cellulare (» FICURA 1 alla pagina seguente) prevede che esista una d.C.P. Tra interno (a potenziale inferiore) ed esterno, pari a circa 70 mV, valore non trascurabile rispetto alle piccole dimensioni della cellula stessa: tale c.D1.P. Permette l'espulsione degli ioni sodio e l'ingresso nella cellula degli ioni
Potassio. Al processo di pompaggio biochimico che si viene in questo modo a creare ci si riferisce con il termine di pompa metabolica.
La membrana cellulare può quindi essere schernatizzata come un condensa-tore, Non essendo perfettamente isolante, attraverso di essa avviene il transito di un certo numero di ioni: alla membrana e dunque associabile un valore non solo di capacita, ma anche di resistenza elettrica.
L'applicazione di una differenza di potenziale di durata e ampiezza opportune
Лоігі4 08
inversione delle polarita di tale condensatore, con andamento
ancillante smorzato; l'andamento del potenziale, anche detto potenziale d'azio- rappresentativo delle state di eccitazione della cellula.
l'arresto della respirazione, conseguente alla paralisi dei centri nervosi che controllano la respirazione. Sé la corrente elettrica attraversa i muscoli che permettono il movimento dei polmoni, viene alterato il normale funzionamento del sistema respiratorio e il soggetto rischia la morte per soffocamento o traumi dovuti all'asfissia. In questi casi, poiché il cervello privato di ossigenazione (anossia) per tempi superiori a qualche minuto comincia a subire danni irreversibili, è necessario prestare soccorso all'infortunato in lempi rapidi, anche tramite respirazione artificiale;
• la fibrillazione ventricolare rappresenta l'effetto più pericoloso: le correnti provenienti dall'esterno si sovrappongono a quelle fisiologiche, che normalmente regolano il ritmo di contrazione (sistole) e rilassamento (diastole) dell'organo. I muscoli cardiaci (fibrille) non si contraggono più in modo coordinato e il cuore (* FIGURA 2) entra in fibrillazione, perdendo la capacità di pompare il sangue nell'organismo: la fibrillazione che interessa il ventricolo (fibrillazione ventricolare) è particolarmente grave, perché persiste anche sé lo stimolo è cessato (di minor gravità la fibrillazione atriale, che interessa appunto la regione atriale). Il normale funzionamento del cuore può essere ripristinato sottoponendo lorga-no a una violenta scarica elettrica, che dovrebbe ristabilire la sincronia delle contrazioni muscolari: tale scarica è applicata tramite gli elettrodi del defibrillatore.