Come è stato precedentemente menzionato, abbiamo bisogno di più di un percorso continuo (cioè, un circuito) prima che si verifichi un flusso continuo di carica: abbiamo anche bisogno di qualche mezzo per spingere questi portatori di carica intorno al circuito. Proprio come le biglie in un tubo o l’acqua in un tubo, ci vuole un qualche tipo di forza di influenza per iniziare il flusso. Con gli elettroni, questa forza è la stessa che lavora nell’elettricità statica: la forza prodotta da uno squilibrio di carica elettrica. Se prendiamo l’esempio della cera e della lana che sono state strofinate insieme, troviamo che l’eccesso di elettroni nella cera (carica negativa) e il deficit di elettroni nella lana (carica positiva) creano uno squilibrio di carica tra loro. Questo squilibrio si manifesta come una forza di attrazione tra i due oggetti:
Se un filo conduttore è posto tra la cera e la lana cariche, gli elettroni scorreranno attraverso di esso, poiché alcuni degli elettroni in eccesso nella cera corrono attraverso il filo per tornare alla lana, riempiendo la carenza di elettroni lì:
Lo squilibrio di elettroni tra gli atomi nella cera e gli atomi nella lana crea una forza tra i due materiali. Senza un percorso per gli elettroni di fluire dalla cera alla lana, tutto ciò che questa forza può fare è attrarre i due oggetti insieme. Ora che un conduttore colma lo spazio isolante, tuttavia, la forza provocherà il flusso di elettroni in una direzione uniforme attraverso il filo, anche se solo momentaneamente, fino a quando la carica in quella zona si neutralizza e la forza tra la cera e la lana diminuisce. La carica elettrica che si forma tra questi due materiali strofinandoli insieme serve ad immagazzinare una certa quantità di energia. Questa energia non è diversa da quella immagazzinata in un alto serbatoio di acqua che è stata pompata da uno stagno di livello inferiore:
L’influenza della gravità sull’acqua nel serbatoio crea una forza che cerca di spostare nuovamente l’acqua verso il livello inferiore. Se una tubatura adatta viene fatta passare dal bacino al laghetto, l’acqua scorrerà sotto l’influenza della gravità giù dal bacino, attraverso la tubatura:
Ci vuole energia per pompare quell’acqua dal laghetto a basso livello al serbatoio ad alto livello, e il movimento dell’acqua attraverso la tubatura di nuovo giù al suo livello originale costituisce un rilascio di energia immagazzinata dal precedente pompaggio. Se l’acqua viene pompata ad un livello ancora più alto, ci vorrà ancora più energia per farlo, quindi più energia sarà immagazzinata, e più energia rilasciata se l’acqua viene fatta scorrere attraverso una tubatura di nuovo verso il basso:
Gli elettroni non sono molto diversi. Se strofiniamo la cera e la lana insieme, “pompiamo” gli elettroni lontano dai loro normali “livelli”, creando una condizione in cui esiste una forza tra la cera e la lana, mentre gli elettroni cercano di ristabilire le loro precedenti posizioni (e l’equilibrio all’interno dei loro rispettivi atomi). La forza che attrae gli elettroni verso le loro posizioni originali intorno ai nuclei positivi dei loro atomi è analoga alla forza che la gravità esercita sull’acqua nel serbatoio, cercando di riportarla al suo livello precedente. Proprio come il pompaggio dell’acqua ad un livello più alto provoca l’immagazzinamento di energia, il “pompaggio” di elettroni per creare uno squilibrio di carica elettrica provoca l’immagazzinamento di una certa quantità di energia in quello squilibrio. E, proprio come fornire un modo per l’acqua di fluire di nuovo verso il basso dall’altezza del serbatoio risulta in un rilascio di quell’energia immagazzinata, fornire un modo per gli elettroni di fluire di nuovo ai loro “livelli” originali risulta in un rilascio di energia immagazzinata. Quando i portatori di carica sono in equilibrio in quella condizione statica (proprio come l’acqua ferma, in alto in un serbatoio), l’energia immagazzinata lì è chiamata energia potenziale, perché ha la possibilità (potenziale) di essere rilasciata che non è stata ancora pienamente realizzata. Quando si sfregano le scarpe con la suola di gomma contro un tappeto di tessuto in un giorno asciutto, si crea uno squilibrio di carica elettrica tra se stessi e il tappeto. L’azione di sfregare i piedi immagazzina energia sotto forma di uno squilibrio di cariche forzate dalle loro posizioni originali. Questa carica (elettricità statica) è stazionaria, e non ci si rende conto che l’energia viene immagazzinata. Tuttavia, una volta che metti la mano contro una maniglia di metallo (con molta mobilità di elettroni per neutralizzare la tua carica elettrica), quell’energia immagazzinata sarà rilasciata sotto forma di un flusso improvviso di carica attraverso la tua mano, e la percepirai come una scossa elettrica! Questa energia potenziale, immagazzinata sotto forma di uno squilibrio di carica elettrica e capace di provocare il flusso di portatori di carica attraverso un conduttore, può essere espressa come un termine chiamato tensione, che tecnicamente è una misura dell’energia potenziale per unità di carica o qualcosa che un fisico chiamerebbe energia potenziale specifica.
La definizione di tensione
Definita nel contesto dell’elettricità statica, la tensione è la misura del lavoro richiesto per spostare una carica unitaria da una posizione all’altra, contro la forza che cerca di mantenere le cariche elettriche in equilibrio. Nel contesto delle fonti di energia elettrica, la tensione è la quantità di energia potenziale disponibile (lavoro da fare) per unità di carica, per spostare le cariche attraverso un conduttore. Poiché la tensione è un’espressione di energia potenziale, che rappresenta la possibilità o il potenziale di rilascio di energia quando la carica si sposta da un “livello” ad un altro, è sempre riferita tra due punti. Consideriamo l’analogia del serbatoio dell’acqua:
A causa della differenza nell’altezza della goccia, c’è la possibilità che venga rilasciata molta più energia dal serbatoio attraverso le tubature alla posizione 2 che alla posizione 1. Il principio può essere intuitivamente compreso nel far cadere un sasso: quale risulta in un impatto più violento, un sasso lasciato cadere da un’altezza di un piede, o lo stesso sasso lasciato cadere da un’altezza di un miglio? Ovviamente, la caduta da un’altezza maggiore provoca una maggiore energia rilasciata (un impatto più violento). Non possiamo valutare la quantità di energia immagazzinata in un serbatoio d’acqua semplicemente misurando il volume dell’acqua, così come non possiamo prevedere la gravità dell’impatto di un sasso in caduta semplicemente conoscendo il peso del sasso: in entrambi i casi dobbiamo anche considerare quanto queste masse cadranno dalla loro altezza iniziale. La quantità di energia rilasciata lasciando cadere una massa è relativa alla distanza tra il suo punto di partenza e quello di arrivo. Allo stesso modo, l’energia potenziale disponibile per spostare i portatori di carica da un punto all’altro è relativa a questi due punti. Pertanto, la tensione è sempre espressa come una quantità tra due punti. È interessante notare che l’analogia di una massa che potenzialmente “cade” da un’altezza ad un’altra è un modello così appropriato che la tensione tra due punti è talvolta chiamata caduta di tensione.
Generazione di tensione
La tensione può essere generata con mezzi diversi dallo sfregamento di certi tipi di materiali. Le reazioni chimiche, l’energia radiante e l’influenza del magnetismo sui conduttori sono alcuni modi in cui la tensione può essere prodotta. Esempi rispettivi di queste tre fonti di tensione sono le batterie, le celle solari e i generatori (come l’unità “alternatore” sotto il cofano della tua automobile). Per ora, non entreremo nel dettaglio di come funziona ciascuna di queste fonti di tensione – è più importante capire come le fonti di tensione possono essere applicate per creare un flusso di carica in un circuito elettrico. Prendiamo il simbolo di una batteria chimica e costruiamo un circuito passo dopo passo:
Come funzionano le fonti di tensione?
Ogni fonte di tensione, incluse le batterie, ha due punti di contatto elettrico. In questo caso, abbiamo il punto 1 e il punto 2 nel diagramma sopra. Le linee orizzontali di lunghezza variabile indicano che si tratta di una batteria, e indicano inoltre la direzione in cui la tensione di questa batteria cercherà di spingere i portatori di carica attraverso un circuito. Il fatto che le linee orizzontali nel simbolo della batteria appaiano separate (e quindi incapaci di fungere da percorso per il flusso di carica) non è motivo di preoccupazione: nella vita reale, quelle linee orizzontali rappresentano piastre metalliche immerse in un materiale liquido o semisolido che non solo conduce le cariche, ma genera anche la tensione per spingerle avanti interagendo con le piastre. Notate i piccoli segni “+” e “-” alla sinistra del simbolo della batteria. L’estremità negativa (-) della batteria è sempre quella con il trattino più corto, e l’estremità positiva (+) della batteria è sempre quella con il trattino più lungo. L’estremità positiva di una batteria è l’estremità che cerca di spingere i portatori di carica fuori da essa (ricorda che per convenzione pensiamo ai portatori di carica come se fossero caricati positivamente, anche se gli elettroni sono caricati negativamente). Allo stesso modo, l’estremità negativa è quella che cerca di attrarre i portatori di carica. Con le estremità “+” e “-” della batteria non collegate a nulla, ci sarà tensione tra questi due punti, ma non ci sarà alcun flusso di carica attraverso la batteria perché non c’è un percorso continuo attraverso il quale i portatori di carica possono muoversi.
Lo stesso principio vale per l’analogia del serbatoio d’acqua e della pompa: senza un tubo di ritorno verso lo stagno, l’energia immagazzinata nel serbatoio non può essere rilasciata sotto forma di flusso d’acqua. Una volta che il serbatoio è completamente riempito, non può verificarsi alcun flusso, non importa quanta pressione la pompa possa generare. Ci deve essere un percorso completo (circuito) per far fluire l’acqua dal laghetto al serbatoio e poi di nuovo al laghetto affinché il flusso continui. Possiamo fornire un tale percorso alla batteria collegando un pezzo di filo da un’estremità della batteria all’altra. Formando un circuito con un anello di filo, inizieremo un flusso continuo di carica in senso orario:
Comprendere il concetto di corrente elettrica
Finché la batteria continua a produrre tensione e la continuità del percorso elettrico non viene interrotta, i portatori di carica continueranno a fluire nel circuito. Seguendo la metafora dell’acqua che si muove in un tubo, questo flusso continuo e uniforme di carica attraverso il circuito è chiamato corrente. Finché la fonte di tensione continua a “spingere” nella stessa direzione, i portatori di carica continueranno a muoversi nella stessa direzione nel circuito. Questo flusso di corrente in una sola direzione è chiamato corrente continua o DC. Nel secondo volume di questa serie di libri, vengono esplorati i circuiti elettrici in cui la direzione della corrente cambia avanti e indietro: Corrente Alternata, o AC. Ma per ora, ci occuperemo solo dei circuiti DC. Poiché la corrente elettrica è composta da singoli portatori di carica che scorrono all’unisono attraverso un conduttore muovendosi lungo e spingendo i portatori di carica davanti, proprio come le biglie attraverso un tubo o l’acqua attraverso un tubo, la quantità di flusso in un singolo circuito sarà la stessa in qualsiasi punto. Se dovessimo monitorare una sezione trasversale del filo in un singolo circuito, contando i portatori di carica che scorrono, noteremmo esattamente la stessa quantità per unità di tempo come in qualsiasi altra parte del circuito, indipendentemente dalla lunghezza o dal diametro del conduttore. Se interrompiamo la continuità del circuito in qualsiasi punto, la corrente elettrica cesserà in tutto il circuito, e l’intera tensione prodotta dalla batteria si manifesterà attraverso l’interruzione, tra le estremità dei fili che erano collegati:
Qual è la polarità di una caduta di tensione?
Osserva i segni “+” e “-” disegnati alle estremità della rottura nel circuito, e come corrispondono ai segni “+” e “-” accanto ai terminali della batteria. Questi segni indicano la direzione che la tensione cerca di spingere la corrente, quella direzione potenziale comunemente chiamata polarità. Ricordate che la tensione è sempre relativa tra due punti. A causa di questo fatto, anche la polarità di una caduta di tensione è relativa tra due punti: se un punto in un circuito viene etichettato con un “+” o un “-” dipende dall’altro punto a cui si riferisce. Date un’occhiata al seguente circuito, dove ogni angolo del circuito è segnato con un numero per riferimento:
Con la continuità del circuito interrotta tra i punti 2 e 3, la polarità della tensione caduta tra i punti 2 e 3 è “+” per il punto 2 e “-” per il punto 3. La polarità della batteria (1 “+” e 4 “-“) sta cercando di spingere la corrente attraverso il circuito in senso orario da 1 a 2 a 3 a 4 e di nuovo a 1. Ora vediamo cosa succede se colleghiamo di nuovo i punti 2 e 3, ma poniamo un’interruzione nel circuito tra i punti 3 e 4:
Con l’interruzione tra 3 e 4, la polarità della caduta di tensione tra questi due punti è “-” per 4 e “+” per 3. Notate in particolare il fatto che il “segno” del punto 3 è opposto a quello del primo esempio, dove la rottura era tra i punti 2 e 3 (dove il punto 3 era etichettato “-“). È impossibile per noi dire che il punto 3 in questo circuito sarà sempre o “+” o “-“, perché la polarità, come la tensione stessa, non è specifica di un singolo punto, ma è sempre relativa tra due punti!
REVIEW:
- I portatori di carica possono essere motivati a fluire attraverso un conduttore dalla stessa forza che si manifesta nell’elettricità statica.
- La tensione è la misura dell’energia potenziale specifica (energia potenziale per unità di carica) tra due luoghi. In termini profani, è la misura della “spinta” disponibile per motivare la carica.
- La tensione, come espressione dell’energia potenziale, è sempre relativa tra due luoghi, o punti. A volte viene chiamata “caduta di tensione”.
- Quando una fonte di tensione è collegata a un circuito, la tensione causerà un flusso uniforme di portatori di carica attraverso quel circuito chiamato corrente.
- In un circuito singolo (un loop), la quantità di corrente in qualsiasi punto è uguale alla quantità di corrente in qualsiasi altro punto.
- Se un circuito contenente una sorgente di tensione viene interrotto, l’intera tensione di quella sorgente apparirà attraverso i punti dell’interruzione.
- L’orientamento +/- di una caduta di tensione è chiamato polarità. È anche relativa tra due punti.
Fogli di lavoro correlati:
- Foglio di lavoro tensione, corrente e resistenza