Quali sono le grandezze elettriche fondamentali

Per parlare di elettronica ed elettrotecnica, è impossibile non parlare delle grandezze elettriche fondamentali che la governano. Queste grandezze solo fondamentalmente quattro, scaturiscono dalla legge di ohm e sono:

• Carica elettrica
• Corrente Elettrica
• Tensione Elettrica (o Potenziale Elettrico o differenza di Potenziale o Forza Elettromotrice)
• Resistenza Elettrica
• Potenza Elettrica
• Energia Elettrica

Sono grandezze fisiche perché sia l’elettrotecnica che l’elettronica sono branchie della fisica, ed ovviamente non sono solo queste ma stringi stringi, tutti i fenomeni elettronici possono essere ricondotti a queste. Vediamole una ad una.

Carica Elettrica

La carica elettrica è quella entità fisica che genera una interazione con le altre cariche elettriche eventualmente presenti nel loro raggio di azione.

È la sorgente del campo elettrico ed elettromagnetico, cioè di un insieme infinito di forze passanti per il centro della carica stessa ed interagiscono con le altre cariche, che descrivono uno spazio intorno alla carica stessa.

Le cariche possono essere di segno positivo (Protoni), e di segno negativo (Elettroni).

Per convenzione il verso delle forze esce dalle cariche positive ed entra in quelle negative.

Le cariche dello stesso segno si respingono e quelle di segno opposto si attraggono.

Nel Sistema internazionale l’unità di carica elettrica è il coulomb (C).

La carica elementare dell’elettrone è:  -1,602176634*10^-19 C,  e quella del protone è:  1,602176634*10^-19 C.

È una grandezza vettoriale quantizzata, cioè il suo valore può essere quello elementare o suoi multipli.

Corrente elettrica

La corrente elettrica è la quantità di cariche elettriche che attraversa la sezione di un conduttore nell’unità di tempo per effetto di un campo elettrico, quindi è definita come Coulomb al Secondo (C/s), ma anche:

La corrente elettrica è paragonabile alla quantità di acqua che passa in un tubo nell’unità di tempo.

La quantità di acqua viene misurata in litri al secondo (l/s) e la corrente elettrica è misurata in Coulomb al secondo (C/s).

Nel caso dell’acqua se la pompa spinge più quantità di liquido, questo passerà nella stessa sezione del tubo con maggiore velocità e se il tubo sarà in grado di sopportate la pressione, dipenderà solo dalle caratteristiche del materiale con cui è fatto.

Nel caso del conduttore elettrico la cosa è molto simile; infatti la quantità di cariche elettriche che riusciranno a passare in esso, dipenderà sempre dalle caratteristiche del materiale con cui è fatto il conduttore stesso.

Nel caso dell’acqua è la pompa a generare la spinta, mentre nel caso della corrente elettrica, è il campo elettrico che genera una tensione che a sua volta spinge gli elettroni.

Tensione Elettrica – (o Potenziale Elettrico, o differenza di Potenziale, o Forza Elettromotrice)

Continuando con il paragone dell’acqua con una pompa che crea pressione, cioè un fascio di forze distribuite su tutta la superficie del tubo, che conosciamo come chilogrammi al centimetro quadrato (Kg/cm²); Nel caso del conduttore elettrico al posto della pressione abbiamo il campo elettrico Ē, cioè un fascio di forze distribuite in tutto il materiale che agiscono su ogni singola carica q, cioè (Ē/q).

La forza applicata sulla singola carica è quindi F= Ē/q, e dopo che la carica si sarà spostata da un punto A ad un punto B dello spazio all’interno del conduttore per effetto della forza applicata, avrà acquisito una certa quantità di energia in più che potrà essere riutilizzata in seguito per compiere lavoro utile.

A questo punto la carica elettrica che è stata strappata via dalla posizione iniziale in cui era in quiete, tenterà in ogni modo di tornare dov’era e creerà una Forza Attrattiva verso la sua posizione iniziale, tanto maggiore quanto maggiore è la forza che gli è stata impressa dal campo elettrico quando è stata spostata.

In pratica la forza esercitata dal campo elettrico sulla carica, si è adesso trasferita sulla carica stessa che a sua volta esercita una forza repulsiva verso le cariche dello stesso segno ed una forza attrattiva verso la sua posizione originaria dove c’è un protone pronto ad accoglierla e con il quale si deve ricombinare per annullare la tensione (la forza di attrazione) e tornare in quiete.

Questa forza di attrazione si chiama Tensione, o Potenziale elettrico, o Differenza di Potenziale o Forza Elettromotrice. A seconda di dove viene misurata, ma sempre la stessa entità è.

Cioè la Tensione è una Forza, la forza che farà spostare le cariche elettriche e che si trasformerà in lavoro non appena gli elettroni (le cariche negative) cominceranno a muoversi verso i protoni (Lavoro = Forza * Spostamento), per tornare nella loro condizione di riposo passando all’interno di un circuito elettrico dove cederanno la l’energia accumulata per effetto del campo elettrico iniziale.

È come se prendessimo 100 metri cubi di acqua e la portassimo a 10 metri di altezza da terra, la incanalassimo in un condotto e ci facessimo girare la ruota del mulino bianco per macinare il grano compiendo così un lavoro.

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La definizione di Tensione elettrica che troviamo su Wikipedia è:

“La tensione elettrica, spesso chiamata semplicemente tensione,[1] è una grandezza fisica proporzionale alla quantità di energia richiesta per muovere una carica elettrica tra due punti nello spazio” [wikipedia]

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Facciamo un piccolo passo in avanti:

Se dopo essere tornate nello stato di riposo, ricomincia il ciclo e le cariche vengono riportate nuovamente in stato di tensione, siamo in presenza di una Forza Elettro Motrice (Generatore di Tensione) che eroga energia in modo continuativo, utile alle nostre case, in ufficio o in qualsiasi altro ambito per il funzionamento delle nostre apparecchiature elettriche.

Resistenza elettrica

La resistenza elettrica è la misura di quanto un componente elettrico o elettronico si oppone al passaggio delle cariche elettriche.

Anche i cavi conduttori che trasportano l’energia elettrica oppongono una certa resistenza al passaggio della corrente, ma salvo casi estremi, in questo caso è generalmente molto bassa ed entro certi limiti.

Tutti i materiali oppongono una certa resistenza al passaggio della corrente al loro interno, solo che alcuni ne oppongono tanta ed alcuni poca.

Conduttori: sono quei materiali che offrono poca resistenza al passaggio di corrente, al loro interno gli elettroni possono muoversi facilmente. Esempi di conduttori sono: oro, argento, alluminio e rame.

Isolanti: Sono quei materiali che offrono una elevata resistenza al passaggio di corrente, aal loro interno gli elettroni si muovono con talmente tanta fatica che praticamente sono fermi. Esempi di isolanti sono: plastica, vetro, legno.

Il componente che si utilizza per creare una resistenza elettrica voluta e calcolata, è il resistore. Questo elemento è molto diffuso sia in elettrotecnica che in elettronica e serve per adattare il potenziale elettrico come nei televisori, oppure generare calore come succede nelle stufette.

La resistenza si misura in ohm (Ω), in onore del fisico tedesco Georg Simon Ohm che studiò la relazione tra tensione e corrente.

La legge di Ohm dice che la corrente che scorre all’interno di un resistore, è direttamente proporzionale alla tensione applicata ai suoi capi ed inversamente proporzionale alla sua resistenza:

applicando le formule inverse:

La Resistenza è una costante: a parità di resistore, per qualsiasi valore di tensione applicato ai suoi capi, al suo interno scorrerà una corrente tale che il rapporto V/I è sempre costante.

Ovviamente finché la corrente non è troppa e quindi il resistore si rompe, ecco perché bisogna tener conto anche dell’energia che il componente può sopportare nell’unità di tempo, la Potenza Elettrica.

Potenza elettrica

La potenza elettrica è definita come il lavoro elettrico per unità di tempo, cioè l’energia assorbita o ceduta da un componente o un circuito elettrico in un secondo.

Ok, ti ricordi quando sopra ho detto che la Tensione è la Forza Attrattiva esercitata dalle cariche per tornare nella loro posizione di quiete dopo essere state spostate dal campo elettrico iniziale?

Bene, a quel punto le cariche sono ferme, quindi non c’è lavoro e nemmeno rilascio di energia.

Nel momento in cui colleghiamo i fili ad un circuito e le cariche cominciano a fluire al suo interno però, oltre alla forza c’è anche il movimento, cioè Lavoro (L=F*S). Il lavoro e l’energia sono la stessa entità ed hanno la stessa unità di misura: il Joule, quindi sono la stessa cosa.

Se la corrente elettrica scorre all’interno del circuito per un secondo di tempo, siamo in presenza del l’avoro, cioè l’energia assorbita nell’unità di tempo, cioè Potenza.

La potenza è il lavoro compiuto in un secondo e si misura in Watt (W):  W=J/s.

La potenza del contatore di casa è la potenza massima che si può utilizzare in un secondo, in genere 3kW, e se la superi del 10% viene interrotta da una controller.

Energia Elettrica

Abbiamo detto che la potenza elettrica è l’energia assorbita o ceduta da un circuito in un secondo (W=J/s). Cosa succede adesso se l’energia viene ceduta (o assorbita) per più di un secondo?

Niente, parliamo semplicemente di energia Elettrica, cioè come il prodotto della potenza per tutto il tempo di utilizzo e la indichiamo semplicemente come lavoro compiuto nel tempo, cioè:

Come puoi vedere dalla relazione qui sopra, l’energia è la potenza (assorbita o ceduta) per tutto il tempo di utilizzo, si misura semplicemente in Joule oppure in W*s.

Il contatore di casa non fa eccezioni ed è sempre una potenza per un tempo di utilizzo, solo che per motivi commerciali e pratici, la società elettrica preferisce indicarla in chilowattora (kWh).

Attenzione: la potenza installata del contatore della società elettrica è in genere 3kW (che è la massima potenza utilizzabile in un secondo), mentre i kWh che paghiamo sono tutti i kW utilizzati nelle ore (cioè nel tempo), è energia ed è su quelli che viene calcolata la bolletta.