Corrente elettrica

L'elettricità indica l’insieme di fenomeni prodotti dalla carica elettrica. La carica elettrica è una proprietà che caratterizza le particelle dell’atomo. In particolare, ogni atomo è composto da un nucleo circondato da elettroni carichi negativamente. Il nucleo contiene particelle chiamate neutroni (carica neutrale) e protoni (carica positiva).

Fra le cariche agiscono forze attrattive quando hanno segni opposti, e repulsive quando quando hanno lo stesso segno. Nei conduttori (ad esempio, metalli come il rame o l'argento), il movimento degli elettroni, noti come elettroni liberi, è responsabile dello spostamento della carica. La carica in movimento è ciò che chiamiamo corrente elettrica. Vediamo insieme di cosa si tratta!

Definizione della corrente elettrica

Possiamo definire la corrente elettrica come un flusso di cariche. L’intensità della corrente elettrica è la quantità di carica che si muove attraverso una superficie in un determinato intervallo di tempo.

Flusso di una carica attarverso un conduttore

Quando due oggetti carichi come nella Figura 1 sono collegati da un filo conduttore, vi è un passaggio di carica che genera una corrente. La corrente scorre perché vi è una differenza di potenziale.

Fig. 1 - Flusso di carica in un conduttore.

Intensità di corrente elettrica

L’intensità di corrente elettrica è una grandezza fondamentale nel sistema internazionale (SI) e l’unità di misura è l’Ampere (\(A\)). Indicando con \(\Delta Q\) la quantità di carica che attraversa la superficie in un conduttore nel tempo \(\Delta t\), la formula per l’intensità di corrente elettrica è la seguente:

\[i = \lim_{\Delta t \to 0} \frac{\Delta Q}{\Delta t}\]

Corrente convenzionale

In un circuito gli elettroni si allontanano dal polo carico negativamente e si dirigono verso il polo carico positivamente, seguendo la regola di base secondo cui le cariche simili si respingono e le cariche opposte si attraggono.

Tuttavia, per convenzione si definisce il verso della corrente come la direzione del flusso di cariche positive dal polo positivo a quello negativo. Si tratta quindi di un flusso opposto a quello degli elettroni.

Fig. 2 - Flusso convenzionale (in alto) vs flusso di elettroni (in basso).

È importante notare che il flusso di cariche ha una direzione, ma l’intensità di corrente è una grandezza scalare.

Come misurare la corrente

La corrente può essere misurata con un dispositivo chiamato amperometro. L'amperometro deve essere sempre collegato in serie alla parte del circuito in cui si desidera misurare la corrente, come mostrato nella figura seguente.

Fig. 3 - Schema per la misurazione della corrente con l'amperometro.

Quantizzazione della carica

La carica dei portatori di carica è quantizzata e può essere definita come segue.

La carica elettrica elementare è pari a \(1{,}60 \times 10^{-19} \, \mathrm C\) (in valore assoluto). Nello specifico, la carica dell’ elettrone è \(-1,60 \times 10^{-19} \, \mathrm C\) mentre la carica di un protone è \(+1{,}60 \cdot 10^{-19} \, \mathrm C\). Possiamo quindi rappresentare la carica di qualsiasi particella come un multiplo di questa carica elettrica elementare.

Calcolo della corrente in un conduttore

La corrente in un conduttore ha diverse caratteristiche:

• L’ immagine in alto della Figura 2 mostra portatori di carica positivi. In questo caso, la velocità di deriva e i portatori di carica si muovono nella stessa direzione. L’ immagine in basso presenta portatori di carica negativi e la velocità di deriva e i portatori di carica si muovono in direzione opposta.

• La velocità di deriva dei portatori di carica è la velocità media con cui viaggiano attraverso il conduttore.

• Supponendo che l’intensità della corrente in un conduttore sia costante (\(i(t) = i \)), questa può essere espressa in funzione della velocità di deriva come: \(i=A\:n\:q\:v_d\) dove \(q\) è la carica elementare, \(n\) è il numero degli elettroni presenti per unita di volume; \(A\) indica l’area di una sezione trasversale; e \(v_d\) è il modulo della velocità di deriva (la velocità di deriva è una grandezza vettoriale).

Corrente Elettrica indotta

È interessante notare che la corrente elettrica produce un campo magnetico e un campo magnetico che varia nel tempo può produrre una corrente elettrica.

In particolare, si definisce corrente indotta la corrente che si manifesta in un circuito quando si ha una variazione del flusso del campo magnetico concatenato alla sezione del circuito.

La relazione tra la forza elettromotrice indotta in un circuito e la variazione del flusso del campo magnetico concatenato alla sezione del circuito è data dalla legge di Faraday-Neumann:

\[f_{em} = \lim_{\Delta t \to 0} \left( -\frac{\Delta \Phi(\vec{B})}{\Delta t}\right)\]

dove \(\Delta \Phi (\vec{B})\) è la variazione del flusso del campo magnetico nell’intervallo di tempo \(\Delta t\).