LA CORRENTE ELETTRICA

Moto degli elettroni di conduzione per effetto di un campo elettrico

Un filo metallico, come ad esempio un filo di rame, dal punto di vista microscopico, consiste di un reticolo di ioni positivi nel quale e' presente una nube di elettroni; queste particelle, denominate “elettroni di conduzione”, sono libere di muoversi nel reticolo. Il moto degli elettroni di conduzione puo' essere paragonato al moto delle particelle di un gas racchiuso in un recipiente.

La figura che segue fornisce una rappresentazione schematica, in un piano, degli atomi di un metallo con un solo elettrone di valenza (atomi monovalenti). In pratica, nel filo metallico preso in esame ciascun atomo contribuisce con un solo elettrone alla formazione del gas di elettroni:

Gli elettroni di valenza di un atomo occupano nell'atomo l'ultimo livello di energia tra quelli consentiti; tali elettroni sono quelli che patecipano alla formazione dei legami chimici e determinano le proprieta' chimiche di un elemento.

In un metallo, sia gli ioni del reticolo, che gli elettroni di conduzione sono soggetti al moto di agitazione termica; in particolare, gli ioni possono soltanto oscillare attorno alla propria posizione di equilibrio, invece gli elettroni di conduzione si muovono caoticamente in tutte le direzioni con velocita' molto elevate.

Se nel filo metallico di rame non c'e' campo elettrico, la velocita' raggiunta dagli elettroni di conduzione, per effetto dell'agitazione termica, e' dell'ordine di 10⁶ m/s. Tuttavia, poiche' i vettori velocita' degli elettroni sono orientati a caso, la velocita' media degli elettroni dovuta all'energia termica e' nulla.

Quando si applica un campo elettrico, per esempio collegando il filo metallico ad una pila, gli elettroni di conduzione del solido si mettono in movimento in direzione opposta a quella del campo applicato. Intatti, per la presenza del campo elettrico, sugli elettroni di conduzione si esercita una forza F di intensita' F = - e · E, il cui verso, essendo l'elettrone una carica negativa, e' opposto a quello del campo elettrico applicato. La forza sara' costante se il campo si ipotizza costante. Gli elettroni di conduzione, per la presenza della forza F, sono cosi' soggetti ad una accelerazione e, se questi si trovassero nel vuoto, si muoverebbero di moto uniformemente accelerato; in realta' non e' cosi'. Infatti, il moto degli elettroni e' continuamente ostacolato, interrotto o addirittura invertito dagli urti che essi subiscono con gli ioni positivi della struttura del materiale (reticolo cristallino).

In figura e' schematizzato il moto di un elettrone di conduzione in un tratto di filo conduttore sottoposto ad un campo elettrico:

La piccola velocita' posseduta dagli elettroni di conduzione, dovuta all'applicazione del campo elettrico, e' detta “velocita' di deriva”. Questa, opposta alla direzione del campo elettrico, si sovrappone alla grande velocita' termica che invece e' orientata casualmente, come mostrato in figura:

L'ordine di grandezza della velocita' di deriva degli elettroni di conduzione e' di (10^-1 - 10^-2) mm/s.

Il moto d'insieme ordinato degli elettroni di conduzione, per effetto del campo elettrico applicato, costituisce una corrente elettrica misurabile con appositi strumenti.

In definitiva si puo' affermare che:

La corrente elettrica, nei conduttori metallici, e' prodotta dal lento moto di deriva degli elettroni di conduzione che si muovono in direzione opposta a quella del campo elettrico applicato.

Intensita' di corrente elettrica: definizione

L'intensita' di corrente elettrica che fluisce in un filo conduttore e' definita come:

la rapidita' con cui fluisce la carica elettrica.

Caratteristiche della corrente elettrica in un filo conduttore

L'unita' di misura della corrente elettrica e' l'Ampere (A): 1 Ampere = 1 Coulomb/1 secondo.

L'attuale definizione di Ampere fa riferimento al fenomeno per cui due fili, percorsi da corrente elettrica, si attraggono o si respingono a seconda che le correnti siano concordi o discordi, quindi:

Un Ampere e' la quantita' di corrente che, scorrendo all'interno di due fili paralleli e rettilinei di lunghezza infinita e sezione trascurabile, immersi nel vuoto ad una distanza di un metro, induce in loro una forza di attrazione o repulsione di 2·10^-7 N per ogni metro di lunghezza.

Verso della corrente elettrica

In figura viene rappresentato il verso reale e quello convenzionale della corrente elettrica e viene anche indicato lo strumento utilizzato per la sua misura, cioe' l'amperometro:

Gli elettroni di conduzione nel filo metallico, messi in movimento per la presenza della pila, danno origine ad una corrente elettrica che, per convenzione, scorre dal polo positivo a quello negativo della pila. Dunque, come verso convenzionale della corrente elettrica si assume quello che avrebbero i portatori di carica positivi. Il verso convenzionale della corrente elettrica e' opposto a quello reale, che invece e' dato dal verso della velocita' di deriva degli elettroni di conduzione. Anche se la corrente elettrica viene rappresentata con delle frecce che ne indicano la direzione, essa non e' un vettore.

Intensita' di corrente e velocita' di traslazione media degli elettroni

La quantita' di carica Δq che attraversa una sezione generica di riferimento A di un filo conduttore, dal punto di vista microscopico, dipende:

• dal numero N di portatori di carica che, in un certo intervallo di tempo Δt, attraversano la sezione A del filo conduttore;

• dal valore della carica q di ciascun portatore.

In termini matematici cio' si traduce nella seguente relazione, che esprime l'intensita' di corrente:

i = N · q / Δt

Le N cariche che attraversano la sezione di riferimento A, nel tempo Δt, sono quelle incluse nel cilindro di sezione A e di altezza v·Δt, per cui:

N = n · A · v · Δt

dove “n” e' il numero degli elettroni di conduzione per unita' di volume del conduttore, cioe' la densita' numerica dei portatori di carica.

L'espressione dell'intensita' di corrente in funzione delle grandezze microscopiche diviene dunque:

i = N · q / Δt = (n · A · v · Δt) · q / Δt

cioe':

i = n · A · v · q

da cui si ricava:

v = i / (q · n · A)

Tenendo conto che, per i buoni conduttori, n ~ 10²⁸ elettroni/m³, se si assegna ad A il valore di 1mm² e ad i il valore di 1 A, si ottiene:

v = 1(A)/[1,6·10^-19(C)·10²⁸(elettroni/m³)·10^-6m²] ~ 10^-3 m/s = 1 mm/s

MAPPA CONCETTUALE