Prima di buttarci e costruire i nostri primi circuiti, dobbiamo conoscere bene cosa sono tensioni e correnti, e come si relazionano tra di loro.
Il mondo dell’elettricità e dell’elettronica può risultare abbastanza oscuro per chi non ha mai studiato fisica. A differenza dei fenomeni macroscopici, non è possibile osservare direttamente correnti e tensioni: se guardiamo un filo della corrente, ci sarà impossibile vedere l’energia che scorre nel filo. Allo stesso modo, guardando una batteria, non vedremo una tensione elettrica fra i suoi capi.
Tuttavia risulta evidente che tali correnti e tensioni sono reali.
Carica Elettrica
L’elettricità è dovuta al movimento delle cariche elementari, o elettroni. Gli elettroni creano la carica elettrica, che poi possiamo sfruttare per far funzionare i nostri dispositivi elettronici (dalla radio, ai telefoni, ai treni, …).
Queste particelle atomiche, chiamate elettroni, sono contenute naturalmente negli atomi di ogni elemento che esiste in natura. Hanno carica elettrica negativa, il cui valore è preso come unità base per la misura della carica elettrica.
Possiamo descrivere le correnti, tensioni e resistenze riferendoci agli elettroni, o meglio, alla carica che rappresentano:
- La Tensione, o differenza di potenziale, è la differenza di carica elettrica tra due punti dello spazio.
- La Corrente, è la “velocità” con cui la carica si sposta in un conduttore.
- La Resistenza è la naturale proprietà dei materiali di opporsi a questo flusso di elettroni in movimento.
Quando parliamo di questi tre valori, stiamo in realtà descrivendo come varia la carica elettrica, e quindi il movimento degli elettroni.
Un circuito elettrico è un anello chiuso, composto di materiale conduttore, attraverso cui si muove la carica. I componenti che inseriamo nel circuito, servono a regolare questo movimento, per fargli assumere determinate caratteristiche che ci interessano.
Materiali conduttori
Il lettore saprà che i fili della corrente sono fatti quasi sempre di rame. Questo perché il rame, come gli altri metalli, ha una struttura particolare:
A temperatura ambiente, i metalli sono solidi, e strutturati in reticoli. Questi reticoli possono essere visti come un pacchetto di ioni metallici ed elettroni.
Tra gli ioni metallici, infatti, che hanno carica positiva (ovvero hanno più protoni che elettroni), è presente un “mare” di elettroni, chiamati “elettroni delocalizzati”.
Penso sia noto al lettore, per cultura generale, che in natura due cariche dello stesso segno si respingono, mentre di segno opposto si attraggono l’un l’altra. Questo fenomeno è alla base della formazione di questi reticoli: gli elettroni delocalizzati fungono da “colla” tra gli ioni metallici carichi positivamente.
Questi elettroni possono spostarsi all’interno del reticolo, sfruttando proprio le stesse forze elettriche che tengono insieme gli strati di ioni metallici.
Quando si crea un flusso di elettroni?
Senza intervento esterno, gli elettroni si muovono nel reticolo in modo disordinato, senza creare un flusso con una direzione ben precisa. Mediamente, la densità di carica in ogni parte del conduttore rimane costante.
Il vero fenomeno che si cela dietro la comparsa di un flusso orientato di elettroni è la tendenza della natura ad annullare gli squilibri, in questo caso di carica. Un po’ come l’acqua nel processo dell’osmosi nelle cellule del corpo umano, la carica elettrica si sposta da una zona dove troviamo una maggiore densità di carica, ad una zona con minore densità di carica.
L’obiettivo finale è garantire che la densità di carica nell’oggetto in questione ritorni ad essere in equilibrio, ovvero “uniforme” in tutto il corpo. Ovviamente questo non sempre è possibile: è necessario che il materiale coinvolto nel fenomeno abbia delle “strade” attraverso cui gli elettroni possano muoversi.
Poiché, come abbiamo visto, nei conduttori questo spostamento è possibile, se riusciamo a produrre una differenza di densità di carica all’interno di un conduttore, gli elettroni nel reticolo inizieranno a spostarsi per riportare l’equilibrio.
Come si genera una differenza di densità di carica? Semplice: togliendo elettroni da un punto (una estremità del filo della corrente), e mettendone di nuovi in un altro (l’altra estremità del filo). Il motivo di questa operazione è ovvio: vogliamo che il numero di elettroni all’interno del reticolo rimanga pressoché costante, in modo da non danneggiarlo.
Tensione
La tensione elettrica è una misura della differenza di potenziale tra due punti nello spazio.
La sua unità di misura è il volt (indicata con la lettera “V“, in onore di Alessandro Volta).
La tensione, essendo una differenza di potenziale, è indicato con $latex \Delta V $.
Per definizione, tra due punti A e B dello spazio abbiamo 1V di differenza di potenziale elettrico, se per portare una carica positiva di 1 Coulomb, dal punto A al punto B, è necessario compiere un lavoro positivo di 1 Joule.
Al di là dei tecnicismi, possiamo comprendere i fenomeni elettrici effettuando un paragone con fenomeni macroscopici legati all’acqua.
Se consideriamo il contenitore pieno di acqua, la carica è rappresentata dalla quantità d’acqua, la tensione è rappresentata dalla pressione dell’acqua misurata sul foto di uscita in basso, e la corrente rappresenta l’intensità del flusso d’acqua che attraversa il foro di uscita, per unità di tempo.
Facciamo un paragone tra contenitore d’acqua e una comune batteria
Possiamo immaginare una batteria comune nello stesso modo. Supponiamo di prendere una batteria standard AA. Solitamente, queste batterie hanno una tensione di 1.5V (misurata dal polo negativo al polo positivo, come vedremo).
Questo significa che attraverso la chimica, la densità degli elettroni è
mantenuta sbilanciata. In particolare, il polo indicato con “+” è carico positivamente (ha meno elettroni), mentre il polo con “-” è carico negativamente.
Ora, gli elettroni sul polo negativo vorrebbero raggiungere il polo positivo, ma la chimica della batteria impedisce loro di farlo internamente. La “forza” con cui spingono gli elettroni per raggiungere la parte caricata positivamente, è la nostra tensione.
Se colleghiamo un filo elettrico tra le estremità della batteria (cosa da non fare mai, come vedremo dopo), gli elettroni avranno una “strada” per raggiungere la loro destinazione. Si creerà un flusso di elettroni, ovvero una corrente elettrica.
Se pensiamo alla batteria come al recipiente, osserveremo un altro fenomeno: la pressione sul “fondo” della batteria, inizierà a diminuire, man mano che la batteria si “scarica”, ovvero si va verso l’equilibrio di carica tra i due poli. Questo si traduce nella pratica con una diminuzione della tensione tra i capi della batteria, mentre si scarica.
Corrente
Possiamo vedere la corrente elettrica (indicata con la lettera “I“) come la quantità di acqua che scorre dal foro sul fondo del recipiente per unità di tempo.
La misuriamo in Ampere (indicato con la lettera “A”). Tecnicamente, 1 Ampere si definisce come l’intensità di corrente in un conduttore in cui ogni possibile sezione è attraversata dalla carica di 1 Coulomb (ovvero 6.241*10^18 elettroni), nel tempo di un secondo.
Immaginiamo ora di avere due contenitori per l’acqua, ma con percorso verso il foro di uscita di diversa larghezza:
In entrambi i contenitori, la pressione in uscita è la stessa, in quanto l’altezza della colonna d’acqua sopra i due fori di uscita è uguale. Tuttavia, il contenitore di sinistra ha un percorso più largo verso l’uscita di quello di destra. Se immaginiamo di usarlo per riempire un bicchiere, lo riempirà più in fretta rispetto a quello di destra.
Diciamo allora che attraverso il percorso tra il recipiente di sinistra e il suo foro di uscita, scorre più corrente rispetto all’analogo di destra.
Resistenza
Già da questo ultimo esempio, appare evidente che tensione e corrente sono legate.
Abbiamo infatti visto come, a parità di tensione, scorre più acqua se il tubo/foro in uscita è più largo. Possiamo vedere la “larghezza del tubo” come una rappresentazione visiva della resistenza.
Nel tubo in alto, poiché è meno stretto, l’acqua scorre più facilmente. Nel tubo in basso, l’acqua incontra più resistenza nel muoversi.
Indichiamo la resistenza con con la lettera “R“, e la misuriamo in Ohm (simbolo “$latex \Omega $”).
Legge di Ohm
Tuttavia questo non significa che se abbiamo una resistenza maggiore, in un filo elettrico scorra sempre meno corrente. Queste tre grandezze sono infatti legate da una precisa legge fisica, chiamata Legge di Ohm.
Questa legge afferma che esiste una precisa relazione analitica tra tensione, resistenza e corrente:
$latex I=\frac{\Delta V}{R} $
Ovvero, se consideriamo quest’altro caso:
Nel recipiente a sinistra abbiamo minore tensione, ma anche minore resistenza. Mentre nel recipiente a destra abbiamo maggiore tensione, ma anche maggiore resistenza. Bilanciando bene (numericamente) queste due grandezze, possiamo trovare una uguale corrente attraverso i tubi di uscita.
Ad esempio, nella seguente immagine possiamo osservare valori che soddisfano la legge per entrambi i contenitori. Notiamo come la corrente sia dimezzata, raddoppiando la resistenza (a parità di tensione).
Ma nella pratica?
Nella pratica, le tensioni nei conduttori sono mantenute costanti dai cosiddetti generatori di tensione, ovvero batterie, alimentatori, etc.
La corrente è una conseguenza della tensione, e il suo valore dipende dalla resistenza del percorso che gli elettroni devono effettuare.
Tra le resistenze, troviamo:
- Quelle intrinseche dei conduttori, che noi trascureremo perché hanno effetto solo su “lunghe” distanze, per piccole correnti.
- Quelle esterne, rappresentate da componenti che andremo ad inserire nel circuito
Come possiamo notare, il valore in Ohm di queste resistenze è codificato con 4/5 bande colorate. Possiamo leggerlo utilizzando il seguente schema:
Direzione corrente
Per convenzione, sebbene il flusso della corrente scorra dal polo negativo al polo positivo del generatore di tensione, si è scelto di orientare la corrente in direzione opposta.
La corrente che rappresenteremo su uno schema di un circuito, uscirà quindi dal polo positivo, per entrare nel polo negativo.
Osserviamo ad esempio queste simulazioni, dove troviamo un generatore di tensione di 5V e due resistenze di diverso valore (10$latex \Omega$ e 100$latex \Omega$):
Proseguiamo ora con tensioni e correnti, immergendoci in un esempio pratico, prima di affrontare le Leggi di Kirchhoff.