Corrente, tensione e resistenza

La batteria di un camion che fa passare 720 coulomb nel motorino di avviamento in 4 secondi eroga una corrente di 180 ampere.

La corrente è la carica al secondo

Immagina di stare accanto a un filo e contare la carica che passa per un punto. La quantità di carica al secondo è l'intensità di corrente elettrica, I = ΔQ ÷ Δt. L'unità è l'ampere (A), dal nome di André-Marie Ampère: un ampere equivale a un coulomb al secondo. All'avviamento di un camion la batteria trasferisce 720 C in 4.00 s: 720 ÷ 4.00 = 180 A. Una calcolatrice tascabile assorbe circa 0.300 mA, quindi un singolo coulomb impiega 1 ÷ 0.000300 ≈ 3333 secondi, quasi un'ora, ad attraversarla. Fusibili, interruttori automatici e molti apparecchi riportano valori nominali in ampere.

In che verso scorre la corrente?

In un filo metallico le cariche mobili sono elettroni: viaggiano dal polo negativo della batteria, attraverso il circuito, fino al polo positivo. Sui diagrammi, però, il verso indicato è opposto. La corrente convenzionale segue per definizione il verso in cui si muoverebbero cariche positive: esce dal polo + e rientra nel polo −. Questa convenzione risale a Benjamin Franklin, negli anni 1700. Le due descrizioni danno gli stessi risultati per correnti e tensioni, perché una carica negativa che va a sinistra ha lo stesso effetto di una positiva che va a destra. Nel laboratorio puoi mostrare gli elettroni, le frecce della corrente o entrambi e osservare che indicano sempre versi opposti.

Gli elettroni sono lenti. Ognuno urta gli atomi lungo un percorso a zigzag e la sua velocità media di avanzamento, detta velocità di deriva, è piccolissima. OpenStax la calcola per un filo domestico di rame con diametro di 2.053 mm percorso da 20 A: circa 0.45 mm al secondo. Un elettrone impiegherebbe quindi più di mezz'ora per percorrere un metro. Eppure una lampada si accende appena premi l'interruttore. La spinta si propaga lungo il filo quasi alla velocità della luce, perché il filo è già pieno di elettroni liberi: quando iniziano a muoversi a un'estremità, iniziano anche altrove, come l'acqua in un tubo pieno.

Tensione: energia per ogni coulomb

Qualcosa deve spingere la carica nel circuito. Una batteria compie lavoro su ogni coulomb che la attraversa: l'energia fornita a ciascun coulomb è la tensione, misurata in volt: 1 V = 1 joule per coulomb. Una pila da 1.5 V fornisce 1.5 J a ogni coulomb. Una batteria d'auto da 12 V fornisce 12 J a ciascun coulomb: trasferendo 5 C eroga quindi 60 J. La tensione è sempre una differenza tra due punti, per questo si chiama anche differenza di potenziale. Aumenta nella batteria e diminuisce ai capi delle lampadine e dei resistori nel resto del circuito, dove l'energia si trasforma in luce e calore.

Può aiutare un'analogia con l'acqua. La batteria è una pompa che solleva l'acqua; la tensione è l'altezza a cui la solleva. La corrente è la quantità d'acqua che passa ogni secondo. Un tubo stretto che ostacola il flusso rappresenta la resistenza. L'analogia ha dei limiti, ma spiega perché una tensione maggiore produce una corrente maggiore nello stesso tubo.

Resistenza: ciò che ostacola la corrente

Durante la deriva, gli elettroni liberi urtano gli atomi del materiale e cedono energia, riscaldandolo. Questa opposizione alla corrente è la resistenza R, misurata in ohm (Ω). La resistenza di un filo dipende dal materiale, dalla lunghezza e dallo spessore: R = ρL ÷ A, dove ρ è la resistività del materiale. Un filo più lungo ha maggiore resistenza, uno più spesso ne ha meno. La tabella riporta alcune resistività tratte da OpenStax. Per i cavi si usa il rame perché solo l'argento conduce meglio, ma costa molto di più. Il nichelcromo, con una resistività circa 58 volte maggiore di quella del rame, si usa per le spirali incandescenti di tostapane e stufe elettriche.

Inseriamo i valori per 10 m di quel filo domestico di rame. La sezione è π × (1.0265 mm)² ≈ 3.31 × 10⁻⁶ m², quindi R = 1.72 × 10⁻⁸ × 10 ÷ (3.31 × 10⁻⁶) ≈ 0.052 Ω. Ecco perché di solito possiamo considerare nulla la resistenza dei fili di collegamento, come fa il laboratorio di circuiti.