Cos'è la corrente elettrica?

Cos'è la corrente elettrica?

Quando accendiamo una lampadina o carichiamo il nostro smartphone, stiamo sfruttando uno dei fenomeni più affascinanti della fisica: la corrente elettrica. Ma cosa accade realmente quando premiamo l'interruttore? Perché alcuni materiali conducono l'elettricità mentre altri no? E soprattutto, come funziona questa "forza invisibile" che alimenta le nostre case? Comprendere i principi base della corrente elettrica non è solo una curiosità scientifica: ci aiuta a utilizzare consapevolmente l'energia elettrica, a riconoscere eventuali anomalie negli impianti domestici e ad apprezzare le meraviglie della tecnologia che ci circonda quotidianamente.

Che cos'è la corrente elettrica e come si genera

In generale, quando si parla di corrente elettrica ci si riferisce ad un qualsiasi moto ordinato di cariche elettriche che si spostano lungo una data direzione. La corrente che conosciamo tutti è rappresentata dal moto di particelle cariche negativamente, gli elettroni, che normalmente orbitano intorno ai nuclei atomici.

Gli elettroni hanno la capacità straordinaria di muoversi con grande facilità all'interno di materiali elettricamente conduttori, come il rame utilizzato nei fili elettrici delle nostre case. Questa mobilità risulta invece impossibile per tutte le specie ioniche, siano esse positive o negative. Le ragioni sono complesse, ma volendo semplificare, ciò è dovuto al fatto che gli elettroni sono infinitamente più piccoli di atomi, molecole e ioni.

Per comprendere meglio questo fenomeno, immaginiamo gli elettroni come palline da ping-pong che scorrono attraverso un tubo, mentre gli ioni sarebbero come palloni da calcio che faticano a passare attraverso lo stesso condotto. Nei materiali conduttori come il rame, l'alluminio o l'argento, gli elettroni più esterni degli atomi (chiamati elettroni di valenza) possono facilmente "saltare" da un atomo all'altro, creando quello che in fisica si chiama "mare di elettroni liberi".

Le forze che muovono gli elettroni: campo elettrico e tensione

Ovviamente tali cariche non si muovono a caso. Esse si muovono perché ad esse viene applicata una forza. Due cariche elettriche, infatti, esercitano l'una verso l'altra una forza detta interazione elettrostatica o forza di Coulomb. Questa forza è capace di agire a distanza e si propaga alla velocità della luce in tutte le direzioni che circondano una carica: in altri termini, una carica elettrica genera un campo elettrico nello spazio circostante, sia esso vuoto o fatto di materia.

Quando una carica elettrica viene immersa in un campo elettrico finisce per subire una forza che può essere attrattiva o repulsiva, a seconda del segno di tale carica. Cariche di segno opposto si attraggono mentre cariche di segno uguale si respingono. Gli elettroni hanno tutti medesima carica negativa, quindi finiscono per respingersi a vicenda.

Pertanto la corrente elettrica attraverso un filo conduttore può essere immaginata come il flusso continuo di minuscoli portatori di cariche che si respingono a vicenda per mezzo di forze elettrostatiche muovendosi in modo ordinato lungo una direzione. È come una fila di persone che si spingono l'una con l'altra: quando uno si muove in avanti, tutti gli altri vengono "trascinati" nel movimento.

Molto spesso sentiamo parlare anche di un'altra proprietà della corrente elettrica: la tensione, o più propriamente, la differenza di potenziale. Per capire cosa sia il potenziale elettrico, bisogna capire che qualunque carica immersa in un campo elettrostatico possiede un'energia potenziale che dipende dalla posizione in cui si trova la carica.

Poiché l'energia potenziale posseduta da una carica dipende dalla posizione della carica stessa, a diverse posizioni corrisponderanno potenziali differenti. La differenza di potenziale tra un punto A e B qualsiasi corrisponde al lavoro necessario per spostare la carica fra i due punti. Il lavoro è compiuto dal campo elettrostatico ed essenzialmente è energia spesa dal sistema.

Se tale differenza è la classica 220 volt che conosciamo bene nelle nostre case, vuol dire che per convincere le cariche a transitare fra i punti A e B (che poi sarebbero i capi delle nostre prese elettriche), bisogna fornire a ciascuna di esse 220 J di energia. E noi sfruttiamo tale energia, togliendola letteralmente dal "groppone" dei poveri elettroni in transito. Chiaramente, maggiore sarà la tensione e maggiore sarà l'energia trasportata dalla corrente elettrica.

L'intensità di corrente: come si misura il flusso di elettroni

Si definisce intensità di corrente elettrica la quantità di cariche elettriche che attraversa una sezione del conduttore in un secondo. Si indica con la lettera I e nel Sistema Internazionale si misura in Ampere (A), in onore del fisico francese André-Marie Ampère. Un ampere equivale ad una carica elettrica pari ad 1 coulomb (C) diviso 1 secondo (s). La misura si effettua solitamente con uno strumento detto amperometro.

L'intensità di corrente elettrica è una delle grandezze fondamentali della fisica, solitamente indicata con la lettera I e misurata in Ampere (A). Essa rappresenta la quantità di carica elettrica che attraversa la sezione di un conduttore entro un'unità di tempo. Immaginando quindi un filo conduttore di forma cilindrica, la sezione sarebbe la base del cilindro (un cerchio) e le cariche che lo attraversano sono gli elettroni.

L'intensità I può essere definita come:

I = ΔQ / ΔT

Dove:

• ΔQ è la quantità di carica elettrica (espressa in Coulomb) che attraversa la sezione di un conduttore in un dato intervallo di tempo ΔT (in secondi).

Questa formula però restituisce un valore medio e non ci dà alcuna indicazione circa possibili variazioni istantanee del flusso di carica attraverso la sezione. Pertanto, come formula più generale, l'intensità è data da:

i(t) = dq/dt

Ossia, l'intensità all'istante di tempo t è data dalla derivata della carica rispetto al tempo. Tale derivata ci fornisce la velocità istantanea con cui la carica elettrica fluisce attraverso la sezione, ossia la quantità esatta di carica che fluisce attraverso la sezione in un dato istante t.

Corrente continua vs corrente alternata: due modi diversi di trasportare energia

Nel caso della corrente continua (DC - Direct Current), poiché il flusso di elettroni attraverso la sezione di conduttore è pressoché costante nel tempo, si ha che il valore medio e quello istantaneo di intensità coincidono. In altri termini, nel caso di corrente continua:

i(t) = I = ΔQ/ΔT

La corrente continua è quella che troviamo nelle batterie, negli accumulatori delle auto, nelle pile che alimentano telecomandi e giocattoli, e nei pannelli fotovoltaici. Il flusso di elettroni mantiene sempre la stessa direzione e la stessa intensità nel tempo.

Ciò invece non è assolutamente valido nel caso della corrente alternata (AC - Alternating Current), dove il flusso delle cariche attraverso una sezione non è costante ma oscilla nel tempo. Questa è la corrente che arriva nelle nostre case attraverso la rete elettrica nazionale e che alimenta elettrodomestici, illuminazione e prese di corrente.

Nelle correnti alternate in regime sinusoidale, l'intensità di corrente è una funzione descritta da un'onda sinusoidale:

i(t) = I₀sin(ωt+Φ)

dove:

• i(t) è il valore dell'intensità nell'istante di tempo t
• I₀ è il valore massimo di intensità, corrispondente all'ampiezza dell'onda
• ω è la pulsazione, pari a 2πT oppure 2πf, dove T e f sono il periodo e la frequenza di oscillazione dell'onda
• Φ è l'angolo di fase dell'onda

In Italia, la corrente alternata ha una frequenza di 50 Hz (Hertz), il che significa che cambia direzione 50 volte al secondo. Questo standard è stato adottato in Europa, mentre in Nord America si utilizza una frequenza di 60 Hz.

Convenzioni e direzioni: il verso convenzionale della corrente

Ad ogni modo, sia nel caso della corrente continua che in quello della corrente alternata, in elettrotecnica si utilizza una convenzione che indica la direzione in cui fluisce la corrente. Stando a tale convenzione, si immagina un moto di cariche positive che si muove lungo il circuito partendo dal morsetto a potenziale più alto del generatore verso quello a potenziale minore.

Nella realtà dei fatti, però, la corrente è costituita dal moto di cariche negative (gli elettroni), che si muovono in senso opposto a quello convenzionale. Questo fatto però non si sapeva quando fu scelto, in modo arbitrario, quale fosse il positivo e quale il negativo. La convenzione fu stabilita da Benjamin Franklin nel XVIII secolo, prima che si scoprisse l'esistenza degli elettroni.

Quello che oggi conosciamo come elettrotecnica è frutto di 200 anni di studi e quindi si sono andate a raffinare nel tempo tutti i concetti che oggi noi diamo per scontato. Nonostante questa "inversione" rispetto alla realtà fisica, la convenzione del verso convenzionale della corrente viene ancora utilizzata in tutti i calcoli e schemi elettrici, perché ormai consolidata e perfettamente funzionale.

Un approfondimento video sui principi fondamentali della corrente elettrica e le sue applicazioni pratiche.

La comprensione di questi fenomeni è fondamentale per interpretare correttamente i risultati di una misura professionale dei campi elettromagnetici.

 

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Domande frequenti sulla corrente elettrica

Perché alcuni materiali conducono l'elettricità e altri no?

La conduttività dipende dalla struttura atomica del materiale. Nei conduttori come il rame, gli elettroni esterni sono liberi di muoversi. Negli isolanti come la plastica, gli elettroni sono fortemente legati agli atomi. I semiconduttori come il silicio hanno proprietà intermedie che possono essere modificate attraverso processi specifici.

Qual è la differenza pratica tra volt, ampere e watt?

I volt misurano la "spinta" elettrica (tensione), gli ampere la quantità di corrente che scorre, i watt la potenza effettivamente utilizzata. È come l'acqua in un tubo: i volt sono la pressione, gli ampere la quantità d'acqua che passa, i watt il lavoro che quella quantità d'acqua può compiere.

Perché nelle nostre case utilizziamo corrente alternata e non continua?

La corrente alternata può essere facilmente trasformata in tensioni diverse tramite trasformatori, permettendo il trasporto efficiente su lunghe distanze ad alta tensione e la distribuzione sicura a bassa tensione nelle abitazioni. La corrente continua richiederebbe sistemi più complessi e costosi per la distribuzione su larga scala.

È pericoloso toccare un filo elettrico a 12 volt?

Generalmente no, se la pelle è asciutta. Il corpo umano ha una resistenza che limita il passaggio di corrente a basse tensioni. Tuttavia, con mani bagnate o in presenza di ferite, anche tensioni basse possono essere pericolose. La soglia di percezione è intorno ai 5 mA, quella di pericolosità intorno ai 30 mA.

Come funziona un interruttore differenziale (salvavita)?

L'interruttore differenziale rileva squilibri nella corrente elettrica tra il conduttore di fase e quello neutro. Se parte della corrente "fugge" verso terra (dispersione), il dispositivo interviene interrompendo il circuito in millisecondi, proteggendo dalle scosse elettriche e riducendo il rischio di incendi.

La comprensione della corrente elettrica ci permette di apprezzare la complessità e l'eleganza dei fenomeni fisici che alimentano la nostra vita quotidiana. Come disse Benjamin Franklin: "Nell'elettricità, scopriamo il potenziale infinito dell'innovazione, dove solo la nostra immaginazione può tracciare i limiti."

Si ringrazia il Dott. Luigi Rescigno per il supporto scientifico nella redazione di questo articolo.