POTENZIALE ELETTRICO, DIFFERENZA DI POTENZIALE, TENSIONE E FORZA ELETTROMOTRICE – COSA SONO E QUALI SONO LE DIFFERENZE

Una delle domande che spesso ci si fa è “come nasce la corrente elettrica”, ma per capirlo dobbiamo prima scoprire cosa la fa muovere.

Voglio qui spiegare in maniera semplice ed intuitiva, i concetti di Potenziale Elettrico, Tensione elettrica, Differenza Di Potenziale Elettrico (DDP) e Forza Elettromotrice, utilizzando un linguaggio semplice ed il più vicino possibile a quello parlato senza utilizzare troppe formule, per poi rimandare gli approfondimenti ad altri articoli.

Cominciamo.

LA MATERIA

Le orbite che seguono gli elettroni girando attorno al nucleo si trovano a diverse distanze dal centro, alcune sono più vicine ad esso ed alcune più lontane, ci sono tante orbite quante ne servono per contenere tutti gli elettroni dell’atomo e quelli che ruotano nell’orbitale più esterno si chiamano “Elettroni di Valenza”. Tutte le orbite contengono massimo due elettroni e quando sono piene si chiamano “Orbitali Saturi”, in alcuni casi le orbite hanno solo un elettrone e si chiamano “Orbitali Semisaturi”, se invece l’orbita non ha elettroni perché ad esempio li ha persi dopo che gli abbiamo dato energia, si chiama “Orbitale Vuoto”, in alcuni atomi (e quindi materiali) gli orbitali più esterni sono in grado di accogliere e cedere elettroni più facilmente di altri corpi.

COSA SONO ESATTAMENTE GLI ELETTRONI, I PROTONI ED I NEUTRONI?

L’elettrone è una particella subatomica con carica elettrica negativa pari a −1,602176634×10⁻¹⁹ Coulomb.
e massa pari a 9,11×10⁻³¹ kg.

Il Protone è una particella subatomica con carica elettrica negativa pari a +1,602176634×10⁻¹⁹ Coulomb.
e massa pari a 1,67×10⁻²⁷ kg.

Il Neutrone è una particella subatomica priva di carica elettrica, è neutro ed è per questo che si chiama neutrone, ha una massa di 1,675 · 10⁻²⁷ (un po’ più densa dei protoni) ed insieme a questi ultimi forma il nucleo centrale dell’atomo.

Quindi ricapitolando:

• Protoni, Elettroni e Neutroni sono particelle subatomiche.
• I protoni sono 1836 volte più densi degli elettroni ed i neutroni 1839 volte.
• Protoni e Neutroni hanno la stessa carica elettrica di 1,60×10⁻¹⁹ Coulomb ma di segno opposto.
• le cariche di segno opposto si attraggono e quelle dello stesso segno si respingono.
• L’interazione tra le cariche elettriche è responsabile di molti fenomeni elettromagnetici presenti in natura.
• I protoni (e quindi le cariche positive) non possono muoversi all’interno di un corpo, si muovono solo gli elettroni.

Nota Bene: Gli elettroni ed i protoni non sono le cariche elettriche ma sono particelle che possiedono carica elettrica (che generano le forze interagenti tra di loro), però, visto che sono particelle elementari e le loro cariche hanno lo stesso valore (anche se di segno opposto), a volte capita di chiamare la carica elettrone e l’elettrone carica, ma ricordiamoci sempre che non sono la stessa cosa.

MATERIALI ELETTRICAMENTE NEUTRI

Normalmente tutti gli atomi di un corpo posseggono i propri elettroni che girano intorno al proprio nucleo e le forze sono tutte equilibrate. In questa condizione il materiale è elettricamente neutro e vuol dire che nel corpo non ci sono abbastanza elettroni liberi tali da creare effetti elettrici, ed è questa la condizione che si trova normalmente in natura (anche tu ed io siamo elettricamente neutri). Quando invece c’è un eccesso o una scarsità di elettroni il corpo è elettrizzato e si verificano effetti elettrici, se c’è un’eccedenza di elettroni il corpo è carico negativamente, se invece mancano è elettrizzato positivamente.

POTENZIALE ELETTRICO E DIFFERENZA DI POTENZIALE

Il Potenziale Elettrico è l’energia posseduta da una carica elettrica in un punto dello spazio.

In condizioni di equilibrio (cioè quando girano normalmente intorno al proprio atomo originario) gli elettroni hanno una certa energia potenziale, se gli applichiamo una forza F_e facendoli allontanare dalla propria orbita di una certa distanza “d”, ne assumeranno un’altra e se li allontaniamo nuovamente, ne avranno un’altra ancora, e così via. In ogni punto del materiale gli elettroni possiedono una energia potenziale diversa. La stessa  cosa succede ad una palla da calcio: poggiata a terra ha una certa energia potenziale gravitazionale, se gli applichiamo una forza F_p e la portiamo ad un’altezza h ne assume un’altra e se la innalziamo ancora di più ne avrà ancora un’altra. In entrambe i casi, sia la palla che l’elettrone possiedono una certa energia potenziale in ogni punto dello spazio.

Una cosa molto importante che voglio farti notare da subito e che ritroveremo anche in altre occasioni, è che sia spostando la palla, sia spostando l’elettrone, l’acqua o qualsiasi altra cosa, il risultato è sempre una Forza per uno Spostamento, e cioè un lavoro (L=F*S), lavoro che viene restituito quando tutto torna in quiete, e infatti quando togliamo la forza applicata agli elettroni questi tornano nello stato di equilibrio intorno al loro atomo originario e cedono l’energia precedentemente accumulata restituendoci parte del lavoro che avevamo fatto per allontanarli dall’atomo, ad esempio  sotto forma di una scintilla quando scendiamo dall’auto con la scocca elettrizzata o accendendo una lampadina di casa.

Stessa cosa succede alla palla che avevamo portato ad una certa altezza e lasciandola cade a terra, scarica l’energia potenziale accumulata restituendoci il lavoro che avevamo fatto sotto forma di rumore… o magari un bel goal.

Se al posto della palla facciamo cadere l’acqua all’interno di una turbina, possiamo generare energia elettrica o far muovere le macine di un mulino per fare la farina. In ogni caso, in quel momento abbiamo a disposizione una certa quantità di Lavoro da poter sfruttare.

La Differenza Di Potenziale elettrico (DDP) è la differenza tra l’energia potenziale che l’elettrone ha tra un punto iniziale ed un punto finale dello spazio, perciò è la differenza tra l’energia che l’elettrone possiede nel punto finale dopo averla spostata, meno quella che possedeva nel punto iniziale prima di spostarla.

Dunque se applichiamo una forza F_e ad un elettrone e lo spostiamo di una distanza d da un punto A ad un punto B, la Differenza Di Potenziale sarà la differenza tra la sua energia posseduta nel punto finale B meno la sua energia potenziale posseduta nel punto iniziale A.

DDP = Energia Potenziale (B) – Energia Potenziale (A).

Se come in figura, l’energia potenziale nel punto iniziale A è quella posseduta nello stato di quiete degli elettroni che girano intorno al proprio atomo (cioè in un corpo elettricamente neutro), tale energia potenziale è convenzionalmente zero perché più in basso non possiamo andare e quindi, in questo caso possiamo affermare che:

DDP = Energia Potenziale (B) – 0

E cioè: 

DDP = Energia Potenziale (B)

Questo significa che, se in un materiale come un filo di rame diamo energia agli elettroni quando sono in equilibrio nella loro orbita di valenza e questi si allontanano dal proprio atomo assumendo una maggiore energia, la differenza di energia potenziale elettrica sarà semplicemente il Potenziale Elettrico finale e lo possiamo chiamare anche Tensione Elettrica.

Ma come facciamo a spostare le cariche elettriche di un atomo in equilibrio? Cioè, da dove nasce la forza che spinge gli elettroni lontano dal proprio atomo come abbiamo descritto sopra? La risposta è: usiamo un Campo Elettrico o un Campo Elettromagnetico che vedremo meglio quando parleremo dei generatori.

Ma in breve possiamo semplicemente dire che ogni carica elettrica attrae o respinge le altre cariche a seconda se sono di segno opposto o dello stesso segno, quindi se spingiamo un elettrone vicino ad un altro elettrone in equilibrio intorno al suo atomo, quest’ultimo tende ad allontanarsi per effetto della forza di repulsione elettrica che se è questa è abbastanza forte, riesce a staccare l’elettrone dal suo atomo originario e lo allontana dandogli energia potenziale e quindi lavoro (Forza per Spostamento ricordi?). Questo spostamento è apprezzabile nei materiali conduttori e praticamente nullo in quelli isolanti.

la forza che spinge il primo elettrone verso il secondo facendolo staccare dal suo atomo di origine, si chiama Forza Elettro Motrice.

FORZA ELETTROMOTRICE

La forza elettromotrice, come dice la parola stessa, è la forza che prende letteralmente gli elettroni da un corpo, li ammassa e li spinge in un altro corpo come fa l’omino della figura qui sotto, che li ammassa e li spinge all’interno di un filo che è collegato ad un utilizzatore (una stufetta ad esempio). La Forza Elettromotrice è una Differenza di Potenziale, è una Tensione, è la differenza di potenziale che fa muovere gli elettroni e che è creata dall’energia chimica nella batteria, dall’energia meccanica in un alternatore, dall’energia solare nei pannelli Fotovoltaici, e così via.

Ripeto: la Forza Elettromotrice è la forza che prende gli elettroni da un corpo come un filo di rame, li ammassa tutti insieme e li spinge all’interno di un altro filo di rame così che poi tra i due fili c’è una differenza di concentrazione di cariche elettriche che si chiama Tensione Elettrica.

Il filo con una eccedenza di elettroni (e quindi di cariche elettriche negative) si chiama polo negativo e quello dove mancano gli elettroni (perché li abbiamo spostati nell’altro filo) si chiama polo positivo.

Più è alta la forza elettromotrice e più elettroni vengono ammassati nel polo negativo, più elettroni vengono ammassati nel polo negativo e più questi saranno costretti a stare vicini e concentrati, più le cariche elettriche dello stesso segno sono concentrate e vicine tra di loro, maggiore è la forza di repulsione tra di esse e quindi il lavoro fatto per spostare le cariche elettriche.

Voglio ricordarti la formula per calcolare la forza di repulsione tra cariche dello stesso segno (e attrazione tra quelle di segno opposto):

Come vedi dalla formula, maggiore è il valore delle cariche elettriche che interagiscono tra di loro e minore è la distanza tra le cariche stesse, maggiore è la forza di repulsione o di attrazione.

Quindi più è alta la forza elettromotrice del generatore e più cariche vengono ammassate nello stesso spazio, di conseguenza diminuisce la distanza tra le cariche stesse ed aumenta il loro valore perché sono tante accalcate nello stesso punto, quindi la forza di repulsione in questo caso, è maggiore.

Maggiore è la forza di repulsione e maggiore è il lavoro svolto dal generatore per spostare le cariche, quindi maggiore è la tensione ed il lavoro accumulato che sarà poi disponibile per accendere lo scaldabagno, il condizionatore…e così via tutto quello che ci serve a casa e al lavoro.

DIFFERENZA TRA FORZA ELETTROMOTRICE E TENSIONE

Come abbiamo detto, per generare una tensione elettrica e quindi un movimento di elettroni, è necessario usare un generatore di tensione che applichi una forza a questi elettroni che vengono strappati da un filo e spinti nell’altro filo creando così una Differenza di Potenziale tra un corpo e l’altro. Questa forza si chiama Forza Elettro Motrice e spostando gli elettroni da un punto ad un altro dello spazio, altro non compie che lavoro (Forza per Spostamento ricordi?).

Quindi la Forza Elettromotrice è il lavoro compiuto dal generatore per spostare gli elettroni da un punto ad un altro proprio come avviene per la Tensione, e come per la tensione, questo spostamento può essere fatto applicando un Campo Elettrico o un campo elettromagnetico.

Quindi: La Forza Elettromotrice è anch’essa una Tensione, una Differenza di Potenziale.

Assodato che la Forza Elettromotrice è una Tensione ed in particolare la tensione INTERNA al generatore, diciamo anche che non è la tensione che si trova ai capi esterni del generatore, quindi adesso andiamo a vedere questa sottile differenza.

Se parliamo di un generatore ideale non ci sono problemi perché non ha perdite di tensione al suo interno, ma i generatori ideali esistono solo sulla carta e nella realtà di tutti i giorni abbiamo a che fare con generatori reali che hanno una struttura fisica e quindi sono soggetti a perdite fisiologiche dovute al materiale stesso con cui sono costruiti.

A prescindere dal tipo di generatore, sia esso una batteria, un alternatore o un pannello fotovoltaico, questo è costituito da un insieme di elementi materiali che concorrono alla generazione della tensione, ma nello stesso tempo costituiscono per loro natura un ostacolo al passaggio della corrente prodotta, proprio perché reali e non ideali (un filo di rame per quanto piccola, crea una certa resistenza al passaggio degli elettroni al suo interno).

Tutti questi ostacoli di cui parliamo vengono sintetizzati col nome di “Resistenza Interna del generatore” (Ri) che viene schematizzata proprio col simbolo della resistenza e viene inserita all’interno dello schema elettrico del generatore proprio come nell’immagine qui sotto:

Questa è la schematizzazione interna di una batteria dove la tensione di uscita VAB (in genere 1,5Volt per una stilo) è la differenza tra la FEM e la caduta di tensione VRi persa per effetto della Resistenza Interna Ri.

Quindi VAB = FEM-VRi, cioè la FEM è una tensione più alta rispetto alla VAB che è ai capi esterni del generatore, proprio perché nel momento in cui ci colleghiamo un utilizzatore come una lampadina ad esempio, ci passa una corrente I che per la legge di ohm crea una caduta di tensione sia sulla lampadina che sulla resistenza interna del generatore (VRi = Ri*I).

Solo in un caso la FEM è uguale alla Tensione VAB e cioè in assenza di carico perché, sempre per la legge di ohm, se in una resistenza elettrica non passa nessuna corrente non c’è nemmeno caduta di tensione, e siccome in assenza di un carico esterno non circola corrente, la caduta di tensione VRi è zero, quindi VAB = FEM-VRi = FEM-0 = FEM.     e cioè VAB=FEM.

Quindi la differenza tra differenza di potenziale, Tensione e Forza Elettromotrice non esiste, sono tutte tensioni, dipende solo da dove si trovano. 

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