3 I circuiti elettrici e le leggi di Ohm

Che cos’è un circuito elettrico? 
Che cosa indica la resistenza? 
Come funzionano i circuiti elettrici? 

Abbiamo visto che la differenza di potenziale produce un flusso di elettroni, cioè corrente elettrica: quando un numero sufficiente di elettroni ha raggiunto l’estremità del conduttore che aveva potenziale elettrico minore, la differenza di potenziale si annulla e il flusso di cariche elettriche si interrompe, perché, a questo punto, nel conduttore la carica elettrica è distribuita uniformemente. In questa situazione, per continuare ad avere il passaggio di corrente elettrica, è necessario un dispositivo che conservi la differenza di potenziale tra i due estremi del conduttore, cioè tra polo negativo e polo positivo, proprio come una pompa che, sollevando l’acqua, alimenta il flusso di un circuito idraulico (6).
Un dispositivo di questo genere è chiamato generatore di corrente e consente di creare un circuito elettrico.

I CIRCUITI ELETTRICI

Un circuito elettrico è un percorso chiuso nel quale una differenza di potenziale fa circolare corrente elettrica. Un circuito semplice può essere costituito da un filo elettrico, il conduttore, collegato ai due elettrodi del generatore di tensione, una batteria; inoltre possono essere presenti un utilizzatore, per esempio una lampadina che produce luce, e un interruttore che interrompe il flusso di corrente quando non serve, per esempio quando si vuole spegnere la lampadina.
Quando l’interruttore è sollevato, il circuito si dice aperto e non si verifica passaggio di corrente (7a); viceversa, quando l’interruttore è abbassato, il circuito è chiuso e la corrente circola, giungendo all’utilizzatore (7b).

(7a)

(7b)

In un circuito elettrico possono poi essere presenti anche più elementi, per esempio più di un generatore oppure più di un utilizzatore, che possono essere collegati in serie o in parallelo.
Nel collegamento in serie (8a), gli elementi sono disposti uno di seguito all’altro e sono attraversati dalla stessa intensità di corrente. Se a essere collegati in serie sono dei generatori, la differenza di potenziale aumenta; se invece si tratta di interruttori, basta che uno solo apra il circuito per interrompere il flusso della corrente; se si tratta di utilizzatori, quando uno di essi si guasta il flusso di corrente si interrompe.

LA RESISTENZA

Tutti i materiali, anche i conduttori, ostacolano in una certa misura il passaggio della corrente elettrica al proprio interno. Questo accade a causa dell’attrito tra gli elettroni in movimento e gli atomi di cui sono costituiti i conduttori. Gli atomi che costituiscono i conduttori oppongono, infatti, una “resistenza” maggiore o minore al passaggio degli elettroni, a seconda del materiale.
Questa proprietà dei materiali è chiamata resistenza elettrica (R) e indica, appunto, l’opposizione che un materiale esercita al passaggio della corrente elettrica.
I metalli, che sono ottimi conduttori, oppongono poca resistenza; gli isolanti hanno una resistenza molto elevata, che a volte impedisce del tutto il passaggio degli elettroni.
L’unità di misura della resistenza elettrica è l’ohm, e lo strumento usato per misurarla è l’ohmetro.

LE LEGGI DI OHM

L’ohm deve il proprio nome al fisico tedesco Georg Simon Ohm, il quale scoprì per primo le relazioni matematiche esistenti, in un circuito elettrico, tra le grandezze che lo caratterizzano: intensità, differenza di potenziale e resistenza. Queste relazioni sono espresse dalle due leggi dette leggi di Ohm.
La prima legge di Ohm afferma che in un conduttore l’intensità della corrente elettrica (I) è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale (V) e inversamente proporzionale alla resistenza del conduttore (R).

Prima legge di Ohm

Dalla formula della prima legge di Ohm si ricavano le formule inverse per le altre grandezze: la differenza di potenziale è il prodotto dell’intensità per la resistenza; la resistenza è il rapporto tra differenza di potenziale e intensità.

Se consideriamo, per esempio, un semplice circuito elettrico che ha una pila come generatore e una lampadina come utilizzatore, la luminosità della lampadina (cioè l’intensità di corrente) aumenta al crescere della differenza di potenziale fornita dalla pila; a parità di differenza di potenziale, possiamo però ottenere maggiore intensità anche utilizzando un conduttore (i fili) dotato di minore resistenza.
Oltre a essere in relazione al tipo di materiale, la resistenza dipende anche dalla sezione e dalla lunghezza del conduttore. La resistenza di un conduttore aumenta infatti all’aumentare della sua lunghezza e diminuisce all’aumentare della sua sezione. 

Questa relazione è descritta dalla seconda legge di Ohm, che afferma che la resistenza R di un conduttore dipende dalla natura del materiale di cui esso è costituito, ed è direttamente proporzionale alla sua lunghezza (l) e inversamente proporzionale all’area della sua sezione (s).

Seconda legge di Ohm