Elettricità: cos’è e quali sono i suoi principi base

Che cos’è l’elettricità

Il termine elettricità non indica una singola sostanza o una specifica forma di corrente. Descrive piuttosto i fenomeni associati alle cariche elettriche.
La materia è costituita da atomi, all’interno dei quali troviamo particelle con differenti proprietà elettriche. In particolare:

• i protoni possiedono carica positiva;
• gli elettroni possiedono carica negativa;
• i neutroni sono elettricamente neutri.

Un corpo nel quale cariche positive e negative si compensano presenta complessivamente carica nulla. Quando invece esiste uno squilibrio, il corpo può risultare carico positivamente o negativamente.
Da questa proprietà derivano fenomeni come:

• elettricità statica;
• attrazione e repulsione tra corpi carichi;
• formazione di campi elettrici;
• corrente elettrica.

È quindi più corretto considerare l’elettricità come un insieme di fenomeni collegati alla carica elettrica, piuttosto che definirla semplicemente come corrente che percorre un conduttore.

Carica elettrica: positiva e negativa

La carica elettrica è una proprietà fondamentale della materia. Cariche dello stesso segno tendono a respingersi, mentre cariche di segno opposto tendono ad attrarsi.
Questo comportamento costituisce una delle basi dell’elettrostatica.

L’unità di misura della carica nel Sistema Internazionale è il Coulomb, indicato con il simbolo C. Nella definizione moderna del Sistema Internazionale, il valore della carica elementare è fissato esattamente e viene utilizzato anche per definire l’ampere.
Un elettrone possiede una quantità di carica estremamente piccola. Nei fenomeni macroscopici, però, intervengono quantità enormi di particelle cariche.

Questo permette di passare dal comportamento delle singole particelle alle grandezze che possiamo misurare all’interno di un circuito.

Conduttori e isolanti: perché alcuni materiali fanno passare meglio la corrente

Non tutti i materiali reagiscono allo stesso modo alla presenza di un campo elettrico.
I conduttori permettono alle cariche di muoversi con relativa facilità. Ne sono esempi molti metalli, come:

• rame;
• argento;
• alluminio.

Gli isolanti, invece, ostacolano fortemente il movimento delle cariche. Tra gli esempi più comuni troviamo:

• vetro;
• gomma;
• ceramica;
• numerose materie plastiche.

La distinzione tra conduttore e isolante è fondamentale per comprendere il funzionamento dei circuiti elettrici.
Un cavo, per esempio, presenta normalmente un materiale conduttore all’interno e un rivestimento isolante all’esterno: il primo consente il passaggio della corrente, il secondo contribuisce a impedire contatti indesiderati.

Che cos’è la corrente elettrica

La corrente elettrica rappresenta il movimento netto di carica elettrica attraverso una determinata superficie.
La sua intensità viene indicata normalmente con la lettera I e si misura in ampere, simbolo A. Un ampere corrisponde al passaggio di un coulomb di carica al secondo. Il coulomb può infatti essere espresso come ampere per secondo, C = A·s.

In forma sintetica: I = ΔQ / Δt

Dove:

• I è l’intensità di corrente;
• ΔQ è la quantità di carica trasferita;
• Δt è l’intervallo di tempo.

Nei conduttori metallici il trasporto della carica è associato principalmente al movimento degli elettroni.

Il verso della corrente: attenzione a elettroni e corrente convenzionale

Questo è uno dei punti che può creare confusione.
Gli elettroni, essendo negativi, si muovono in una direzione che risulta opposta rispetto al verso attribuito alla corrente convenzionale. Per convenzione, infatti, il verso della corrente viene considerato come quello nel quale si muoverebbero cariche positive.

Quindi:

• flusso degli elettroni → da potenziale più basso verso potenziale più alto;
• corrente convenzionale → verso opposto.

La convenzione è storica, ma viene ancora utilizzata nella descrizione e nell’analisi dei circuiti.

Tensione elettrica: che cos’è la differenza di potenziale

Perché si produca una corrente in un circuito occorre una condizione capace di favorire il movimento delle cariche. Qui entra in gioco la differenza di potenziale elettrico, comunemente chiamata tensione.

La sua unità di misura è il Volt, simbolo V. Nel Sistema Internazionale: 1 V = 1 W/A.

Per comprendere intuitivamente il concetto si utilizza spesso l’analogia con un circuito idraulico. La tensione può essere immaginata come una differenza di pressione capace di favorire il movimento dell’acqua.
L’analogia è utile, ma bisogna ricordare che il volt non misura una pressione fisica: misura una differenza di potenziale elettrico.

Resistenza elettrica: perché la corrente incontra un ostacolo

La resistenza elettrica descrive l’opposizione che un componente o un materiale offre al passaggio della corrente. L’unità di misura è l’Ohm, indicato con il simbolo Ω.
Nel Sistema Internazionale: 1 Ω = 1 V/A.

La resistenza dipende da diversi fattori. Per un conduttore omogeneo assumono particolare importanza:

• materiale;
• lunghezza;
• sezione;
• temperatura.

A parità delle altre condizioni, un conduttore più lungo tende ad avere una resistenza maggiore, mentre un aumento della sezione tende a ridurla.

Volt, ampere e ohm: quali sono le differenze

Volt, ampere e ohm descrivono grandezze differenti, ma strettamente collegate.

Il rapporto tra queste tre grandezze è espresso, per i componenti ohmici e nelle condizioni in cui la relazione è applicabile, dalla legge di Ohm.

Legge di Ohm: relazione tra tensione, corrente e resistenza

Una delle relazioni fondamentali nello studio dei circuiti è: V = R · I

Dove:

• V è la tensione;
• R è la resistenza;
• I è la corrente.

La stessa relazione può essere riscritta come: I = V / R
Oppure R = V / I

Il NIST richiama proprio questa relazione tra ampere, volt e ohm nella descrizione della legge di Ohm.

In termini intuitivi, se la resistenza rimane costante:

• aumentando la tensione aumenta la corrente;
• diminuendo la tensione diminuisce la corrente.

Se invece la tensione rimane costante, aumentando la resistenza diminuisce la corrente.
Più che memorizzare tre formule separate, è quindi utile comprendere come le tre grandezze dipendano l’una dall’altra.

Un esempio semplice della legge di Ohm

Supponiamo di avere:

• tensione = 12 V;
• resistenza = 6 Ω.

Applicando:

I = V / R

otteniamo:

I = 12 / 6 = 2 A

Nel circuito circola quindi una corrente di 2 ampere. Se mantenessimo la stessa tensione ma portassimo la resistenza a 12 Ω: I = 12 / 12 = 1 A

Raddoppiando la resistenza, in questo esempio la corrente si dimezza.

Potenza elettrica: quanta energia viene trasferita nel tempo

Un’altra grandezza fondamentale è la potenza elettrica.
La potenza indica la rapidità con cui viene trasferita o trasformata energia e viene misurata in Watt, simbolo W. Il watt è l’unità SI della potenza.

In un circuito in corrente continua, una relazione fondamentale è: P = V · I

Dove:

• P è la potenza;
• V è la tensione;
• I è la corrente.

Per esempio, un dispositivo alimentato a 10 V e attraversato da una corrente di 2 A assorbe: P = 10 × 2 = 20 W
La potenza non va confusa con l’energia.

Potenza ed energia elettrica non sono la stessa cosa

Questa distinzione è particolarmente utile anche nella vita quotidiana. La potenza indica quanto rapidamente viene utilizzata o trasferita energia.
L’energia tiene invece conto anche della durata del funzionamento.

In termini generali: E = P · t

Un dispositivo con potenza elevata acceso per pochi secondi potrebbe quindi consumare meno energia di un dispositivo meno potente utilizzato per molte ore.
È lo stesso motivo per cui sulle bollette troviamo normalmente l’energia espressa in kilowattora, mentre sugli apparecchi elettrici troviamo spesso la potenza nominale indicata in watt.

Corrente continua e corrente alternata

Un’altra distinzione importante è quella tra corrente continua e corrente alternata.

Corrente continua

Nella corrente continua, indicata con DC, il verso della corrente rimane costante nel tempo.
È tipica, per esempio, delle batterie.

Corrente alternata

Nella corrente alternata, AC, direzione e intensità della corrente variano periodicamente.
È la forma utilizzata normalmente nelle reti elettriche per la distribuzione dell’energia.

La distinzione diventa particolarmente importante quando si passa dallo studio elementare dei circuiti all’elettromagnetismo, perché variazioni di correnti e campi sono strettamente collegate a fenomeni come l’induzione elettromagnetica.
Per questo abbiamo dedicato separatamente l’approfondimento su elettricità ed elettromagnetismo alla preparazione dei test universitari e del semestre filtro di Medicina.

Come viene prodotta l’energia elettrica

Il vecchio articolo collegava correttamente la produzione dell’energia elettrica al rapporto tra elettricità e magnetismo, ma la spiegazione era troppo semplificata.
In molti sistemi di generazione elettrica viene utilizzato il fenomeno dell’induzione elettromagnetica: una variazione del flusso del campo magnetico attraverso un circuito può produrre una forza elettromotrice.

Questo principio è alla base del funzionamento di numerosi generatori.

L’energia che viene trasformata in energia elettrica può avere origine da fonti differenti, per esempio:

• energia meccanica;
• energia chimica;
• energia solare;
• energia nucleare.

È quindi utile distinguere l’elettricità come fenomeno fisico dalla produzione industriale dell’energia elettrica.

I principali concetti sull’elettricità da non confondere

Quando si studia l’argomento, gli errori più frequenti derivano dalla confusione tra grandezze diverse.
Ricorda soprattutto che:

• carica elettrica e corrente non sono sinonimi;
• la corrente misura il trasferimento di carica nel tempo;
• il volt misura una differenza di potenziale, non una “quantità di corrente”;
• l’ampere misura l’intensità della corrente;
• l’ohm misura la resistenza;
• potenza ed energia non indicano la stessa grandezza;
• elettroni e corrente convenzionale hanno verso opposto nei conduttori metallici;
• la legge di Ohm mette in relazione tensione, corrente e resistenza in condizioni appropriate.

È proprio la capacità di distinguere questi concetti che permette poi di affrontare circuiti ed elettromagnetismo senza imparare formule in modo meccanico.

Elettricità: cosa ricordare

L’elettricità parte dalla proprietà fondamentale della materia chiamata carica elettrica.
Quando le cariche possono muoversi si può generare una corrente, la cui intensità viene misurata in ampere. La differenza di potenziale viene misurata in volt, mentre l’opposizione al passaggio della corrente viene espressa in ohm. Queste unità e le relazioni tra esse costituiscono il linguaggio fondamentale con cui vengono descritti i circuiti elettrici.

La relazione V = R · I consente poi di collegare tensione, corrente e resistenza attraverso la legge di Ohm.
Per studiare bene l’argomento conviene quindi seguire una progressione precisa: carica → tensione → corrente → resistenza → legge di Ohm → potenza ed energia.

Una volta chiariti questi elementi, diventa molto più semplice affrontare il passaggio successivo: campi elettrici e magnetici, induzione ed elettromagnetismo.