Corrente elettrica

La corrente elettrica è un fenomeno fisico, studiato anche in elettrologia ed elettrotecnica, che indica il flusso delle cariche elettriche (elettroni), detto anche flusso elettrico. Le cariche elettriche si muovono in maniera ordinata all'interno di un conduttore, come potrebbe essere un filo di rame in un circuito elettrico. In altre parole, è il movimento ordinato delle cariche elettriche in un materiale.

La corrente si genera quando c'è una differenza di potenziale elettrico (tensione) tra due punti di un circuito e un percorso conduttivo che li collega. Gli elettroni, che hanno carica negativa, si muovono dal punto a potenziale più basso verso quello a potenziale più alto. Tuttavia, per convenzione, la direzione della corrente è considerata quella del flusso delle cariche positive, quindi dal polo positivo al polo negativo.

Descrizione

Rappresentazione del moto di cariche elettriche positive (+) o negative (-) (tipicamente elettroni) in un conduttore.

La corrente elettrica che percorre un filo conduttore, solitamente metallico, viene definita come la quantità di carica elettrica negativa (elettroni) che attraversa la sezione trasversale del filo nell’unità di tempo in qualsiasi suo punto. In alcuni casi può capitare uno spostamento di ioni positivi (protoni), come nel caso delle soluzioni elettrolitiche.

$i=\frac{\mathrm{\Delta }Q}{\mathrm{\Delta }t}$

Per ragioni storiche, legate anche al fatto che la direzione del flusso di carica dipende dal segno della carica stessa, si è stabilito per convenzione che il verso della corrente corrisponda al movimento dal potenziale maggiore a quello minore. Questa scelta, attribuita allo statunitense Benjamin Franklin, viene ancora oggi utilizzata. Nelle applicazioni pratiche, il verso della corrente è fondamentale per il corretto funzionamento dei circuiti elettronici, mentre riveste un’importanza minore nei circuiti puramente elettrici.

L’applicazione di un campo elettrico, e quindi di una differenza di potenziale alle estremità del filo, genera un flusso netto di elettroni in direzione opposta a quella del campo, con una velocità media vd​. La corrente elettrica, invece, scorre nella stessa direzione del campo elettrico, ovvero verso potenziali decrescenti. In caso di assenza di campo elettrico gli elettroni di un conduttore si muovono in maniera disordinata per agitazione termica): non vi è quindi un flusso netto di elettroni in una data direzione: La corrente elettrica non può, dunque, scorrere in assenza di un campo elettrico.

Per produrre un campo elettrico nella direzione del filo è necessario applicare un generatore di tensione (tipo una batteria) tra due punti del filo che permette di applicare una differenza di potenziale ΔV.

L'unità di misura della corrente nel sistema internazionale, è l'ampere (A): 1 A = 1 C/s. Tale nome è stato scelto dalla comunità scientifica in onore al fisico francese André Marie Ampère.

Strumenti di misura

L'amperometro è il principale strumento di misura per l'intensità della corrente elettrica ed è disponibile in due principali varianti: Il primo metodo richiede l'interruzione del circuito per l'inserimento dello strumento, operazione che può risultare scomoda in alcune applicazioni, mentre il secondo metodo, non invasivo, si basa sulla rilevazione del campo magnetico generato dalla corrente. Questa tecnica, sebbene più pratica, richiede un campo magnetico sufficientemente intenso, condizione non sempre soddisfatta nei circuiti a bassa potenza.

Un'altro strumento di misura è il multimetro digitale che può funzionare anche come strumento di misura per la tensione elettrica (volt) e per la resistenza (ohm).

Conduzione elettrica

La conduzione elettrica è permessa dai materiali conduttori allo stato solido. Tutti i materiali solidi sono composti da atomi che si organizzano in strutture ordinate. Questi atomi si dispongono secondo schemi geometrici regolari, formando quella che in cristallografia viene definita struttura reticolare o reticolo cristallino. L'orientamento spaziale degli atomi e le loro reciproche interazioni determinano le proprietà fisiche del materiale.

I fenomeni elettrici sono determinati dal movimento degli elettroni. Per generare questo flusso di cariche è necessario applicare un campo elettrico, che esercita una forza sulle particelle cariche: attira le cariche positive e respinge quelle negative. Per stabilire tale campo, è sufficiente creare una differenza di potenziale tra due punti, collegando un polo positivo a un'estremità e un polo negativo all'altra.

In un conduttore, è possibile definire una densità di carica volumetrica ρ (espressa in C/m³) come la carica elettrica per unità di volume. Per calcolare ρ, è necessario conoscere:

• La carica elementare e (1.602×10⁻¹⁹ C)
• La concentrazione elettronica n (numero di elettroni per unità di volume)

La densità di carica può essere espressa come:

$\rho =n\bullet e$

Dove:

• n può essere determinato dalla densità del materiale d
• Dalla massa molare Mₑ del materiale
• Dal numero di Avogadro Nₐ (6.022×10²³ mol⁻¹)

La relazione completa è:

$\rho =en=e\frac{N_{A}d}{M_e}$

In elettrotecnica, il rame rappresenta uno dei materiali conduttori più diffusi, caratterizzato da una densità di carica ρCu = 13,6 C/mm³. Questo valore rientra nell'ordine di grandezza tipico della maggior parte dei materiali conduttori. Nei conduttori, gli elettroni presentano un moto termico casuale in assenza di campo elettrico, con velocità media complessiva nulla. Quando invece si applica un campo elettrico, si stabilisce tra due punti del conduttore una differenza di potenziale che orienta il moto degli elettroni. Questo movimento ordinato, volto a ridurre la differenza di potenziale e ristabilire l'equilibrio elettrostatico, costituisce la corrente elettrica. Se al conduttore viene collegato un generatore di tensione, questo prende il nome specifico di forza elettromotrice (f.e.m.).

Grandezze fisiche

Una corrente elettrica nasce dall’interazione tra le cariche elettriche presenti in un materiale conduttore e il campo elettrico applicato. Le cariche, soggette a questo campo, si muovono con una velocità costante detta velocità di deriva, la quale è proporzionale al campo elettrico stesso. Questa velocità ha la stessa direzione del campo, ma il verso dipende dal segno della carica: le cariche positive si muovono nel verso del campo, quelle negative in verso opposto.

Dalla velocità di deriva derivano due grandezze fondamentali:

• L’intensità di corrente, che misura la quantità di carica che attraversa una superficie in un determinato intervallo di tempo;
• La densità di corrente, che è un vettore e rappresenta la corrente elettrica che attraversa perpendicolarmente un’unità di superficie.

Velocità di deriva

In un conduttore attraversato da corrente elettrica, gli elettroni si muovono sotto l’azione di un campo elettrico $\overrightarrow{E}$, acquisendo una velocità di deriva ${\overrightarrow{v}}_d$, che rappresenta la media delle velocità degli elettroni lungo la direzione del campo. Su ciascuna carica $e$ agisce una forza elettrica $\overrightarrow{F}=e\overrightarrow{E}$ in base al secondo principio della dinamica, questa forza produce un’accelerazione $\overrightarrow{a}=\frac{e\overrightarrow{E}}{m}$, dove $m$ è la massa dell’elettrone.

La velocità di deriva delle cariche assume un valore costante, proporzionale al campo elettrico $\overrightarrow{E}$. Questo implica che l’accelerazione non può essere considerata continua, poiché il moto uniformemente accelerato delle cariche è costantemente interrotto dagli urti tra gli elettroni e gli ioni del conduttore. Questi urti impediscono un'accelerazione indefinita e permettono al flusso di cariche di mantenere una velocità media costante.

Considerando una carica in movimento, è possibile definire un tempo caratteristico $\tau$ , che rappresenta l’intervallo medio tra due urti successivi. Il valore di $\tau$ dipende dal cammino libero medio e dalla velocità di Fermi.

La mobilità elettrica viene definita come:

$\mu =\frac{e\tau }{m_e}$

Attraverso questa definizione, la velocità di deriva può essere espressa come:

${\overrightarrow{v}}_d=\mu \overrightarrow{E}$

La velocità di deriva di una corrente a 8A in un cavo di rame di sezione 4mm² è di circa $v_d=0,147\mathrm{m}\mathrm{m}/\mathrm{s}$. La velocità di deriva, quindi la velocità della corrente, è dieci miliardi di volte inferiore alla velocità del moto caotico dell'elettrone.

Intensità e densità di corrente

Nel Sistema internazionale di unità di misura, l’intensità di corrente elettrica è una delle sette grandezze fisiche fondamentali, ed è solitamente indicata con i simboli $i$ o $I$, derivati dall’iniziale del termine francese Intensité du courant. La sua unità di misura è l’ampere, rappresentata con il simbolo $\text{A}$.

Se si considera una quantità di carica $\mathrm{\Delta }q$ che attraversa una sezione di un conduttore elettrico in un intervallo di tempo $\mathrm{\Delta }t$, allora l’intensità di corrente istantanea si definisce come:$i=\underset{\mathrm{\Delta }t\to 0}{\lim }\frac{\mathrm{\Delta }q}{\mathrm{\Delta }t}=\frac{dq}{dt}$

In elettromagnetismo, la densità di corrente elettrica è una grandezza vettoriale che descrive come la corrente si distribuisce all'interno di un conduttore. Più precisamente, il flusso del suo vettore attraverso una superficie rappresenta la corrente elettrica totale che attraversa quella superficie.

È comunemente indicata con il simbolo $\overrightarrow{J}$ ed è misurata, nel Sistema Internazionale, in ampere per metro quadrato (A/m²).

Analogie tra corrente elettrica e flusso d'acqua

Il flusso degli elettroni ha diverse analogie con il comportamento adottato dall'acqua o da qualsiasi altro fluido (e cioè materiale allo stato liquido). Per esempio, in un flusso d'acqua, il fenomeno dello scorrimento dell'acqua dovuto dalla differenza di altezza o dalla forza esercitata da una pompa è detto pressione e viene comparata con la tensione elettrica che è la differenza di potenziale che spinge le cariche in un circuito elettrico. Un'altra analogia è data comparando la portata dell'acqua (espressa in litri per secondi, L/s) che indica quanta acqua scorre, con la corrente (espressa in Ampere, A) che indica la quantità di cariche che passano per secondo.

Un tubo stretto o lungo oppone resistenza al flusso d’acqua creando così un'altra analogia con una resistenza elettrica (Ohm) che ostacola il passaggio della corrente.

Analogia legge di Ohm

• Se P è la pressione e R la resistenza idraulica: F= P:R.
• Se V è la tensione e R la resistenza elettrica: I= V:R.

Limiti dell'analogia

• Il flusso alternato (AC) non ha una controparte semplice nell’idraulica: l’acqua non oscilla avanti e indietro come la corrente AC.
• Magnetismo e fenomeni quantistici non sono riproducibili nel modello dei fluidi.
• In elettronica, le cariche elettriche non si consumano; nei tubi il fluido può disperdersi.

Voci correlate

• Potenziale elettrico
• Cariche elettriche
• Elettrostatica
• Magnetismo
• Resistenza elettrica
• Circuito elettrico