Corrente continua e generatore di tensione

Un circuito a corrente continua, indicato con la sigla DC (Direct Current) o talvolta con il simbolo (---), è un tipo di circuito in cui la corrente elettrica scorre in regime stazionario e dunque con intensità costante. Un generatore di tensione a corrente continua è un dispositivo tale da mantenere una differenza di potenziale costante tra i due capi del circuito.

 

È il momento di analizzare le implicazioni pratiche di ciò che abbiamo studiato sul regime di corrente stazionario. Come vedremo tra un istante, in natura i flussi di corrente elettrica si manifestano nella maggior parte dei casi come fenomeni transitori. Nelle applicazioni pratiche (e in particolare in determinati circuiti elettrici) è necessario preservare un flusso di corrente continua, ossia con un'intensità che rimanga costante nel tempo e con lo stesso valore in ogni sezione trasversale del circuito.

 

Daremo quindi una definizione rigorosa di circuito a corrente continua e parleremo dei generatori di tensione, ossia dei dispositivi che consentono di realizzare tale condizione.

 

Corrente continua

 

Affinché si possa avere corrente elettrica in un conduttore è necessario creare una differenza di potenziale, altrimenti detta tensione. Solo così si può generare un campo elettrico che costringe le cariche a muoversi.

 

In assenza di tensione le cariche in un conduttore non tendono a muoversi e dunque non è possibile ottenere alcuna corrente, perché ci si trova in una situazione di equilibrio elettrostatico.

 

Nei processi spontanei la corrente elettrica è un fenomeno momentaneo. Consideriamo ad esempio una sfera elettricamente carica e una neutra, e colleghiamole con un filo conduttore: in questo modo vedremo alcune cariche attraversare il filo per passare dalla sfera carica a quella neutra. Nella situazione iniziale infatti tra le due sfere sussiste una differenza di potenziale e le cariche si muovono per cercare di colmare tale differenza; quando le due sfere raggiungono lo stesso valore di potenziale elettrico la corrente cessa di fluire e si arriva a una situazione di equilibrio.

 

Da qui si vede come la corrente possa essere transitoria e avere una durata breve e circoscritta nel tempo. Cosa dobbiamo fare invece se vogliamo che la corrente continui a scorrere senza sosta? Essenzialmente due cose:

 

- costruire un circuito chiuso;

 

- collegare un apposito generatore di tensione al circuito.

 

Per comprendere appieno come procedere e perché, analizziamo un fenomeno a noi ben noto. ;)

 

Corrente continua in Fluidodinamica

 

Per capire come funzionano le cose con la corrente elettrica facciamo riferimento a un'analogia. La Fluidodinamica ancora una volta viene in nostro soccorso.

 

Immaginiamo di collegare il fondo di due vasche, inizialmente vuote, con un tubo. Cominciamo a versare acqua nella prima vasca: per fare in modo che si riempia blocchiamo con una paratia il tubo di collegamento, così che l'acqua versata nella prima non possa fluire verso la seconda. A un certo punto la prima vasca è piena mentre la seconda è rimasta vuota.

 

Cosa accade se solleviamo la paratia nel tubo? L'acqua si trova in una situazione di disequilibrio e comincia a fluire spontaneamente attraverso il tubo, correndo dalla prima vasca alla seconda in modo da colmare la differenza di pressione. Nel tubo si genera quindi una corrente che perdura fino a quando il livello di acqua non è uguale nelle due vasche. Una volta raggiunto lo stesso livello, si raggiunge anche una situazione di equilibrio tale per cui la corrente cessa di scorrere, in accordo con il principio dei vasi comunicanti.

 

Per far sì che l'acqua possa fluire attraverso il tubo in modo continuo, dobbiamo fare solo una cosa: impedire all'acqua di pareggiare il livello nelle due vasche, e quindi togliere dell'acqua dalla seconda e reimmetterla nella prima. Questo passaggio d'acqua non può avvenire spontaneamente, ed è dunque un processo che va forzato.

 

A questo proposito possiamo corredare l'apparato con una pompa idrica che sia in grado di estrarre acqua dalla seconda vasca e reintrodurla nella prima. In questo modo tra le due vasche ci sarà sempre un dislivello e l'acqua continuerà a scorrere nel tubo per cercare di colmarlo. Fino a quando la pompa si mantiene in funzione l'acqua continua a circolare dalla vasca 1 alla vasca 2, e poi di nuovo indietro alla vasca 1 per mezzo della pompa.

 

Un apparato siffatto non è altro che un circuito a corrente continua (di fluido), ossia un circuito chiuso alimentato da una pompa idrica.

 

Circuiti a corrente continua e generatori di tensione

 

Dall'analogia avrete sicuramente intuito dove andremo a parare. :) Ricolleghiamoci a quanto visto nelle lezioni precedenti e diamo alcune definizioni...

 

1) Una corrente continua in un conduttore è una corrente che soddisfa la condizione di stazionarietà. Comunque si consideri una superficie chiusa all'interno del conduttore, la quantità di carica presente al suo interno resta costante nel tempo. Di conseguenza:

 

- il flusso della densità di corrente attraverso superficie chiusa considerata è nullo;

 

- la velocità di deriva rimane costante nel tempo in ciascun punto del conduttore (non necessariamente con lo stesso valore da punto a punto, bensì con un valore costante nel singolo punto);

 

- in forza dell'equazione di continuità, l'intensità di corrente è sempre la stessa per ogni sezione trasversale rispetto al moto delle cariche;

 

2) Un circuito a corrente continua, indicato con la sigla DC (dall'inglese Direct Current) o anche con il simbolo (---), è un circuito elettrico in grado di generare una corrente continua. Tale condizione viene realizzata per mezzo di un generatore di tensione collegato al circuito.

 

3) Un generatore di tensione a corrente continua è un dispositivo che svolge una duplice funzione:

 

- chiude il circuito, in quanto è collegato ai suoi due estremi;

 

- sposta forzatamente le cariche da un estremo all'altro, con l'effetto di mantenere la differenza di potenziale costante ai capi del circuito.

 

I due estremi di un generatore prendono il nome di poli, di cui uno positivo (simbolo +) e uno negativo (simbolo -); poiché un generatore viene collegato agli estremi di un circuito in corrispondenza dei suoi poli, si parla indistintamente di estremi o poli facendo riferimento al circuito o al generatore.

 

In sintesi in un circuito a corrente continua le cariche si muovono da un estremo all'altro nel tentativo di colmare la differenza di potenziale; poiché la d.d.p. viene mantenuta sempre costante dal generatore di tensione, il moto delle cariche è continuo e l'intensità di corrente è costante. In accordo con la convenzione sulla corrente elettrica, secondo cui il verso è dato dal moto delle cariche positive, le cariche partono dal polo positivo e si muovono spontaneamente fino al polo negativo.

 

Il generatore di tensione quindi chiude il circuito e muove forzatamente le cariche positive dal polo negativo al polo positivo, così da mantenere costante la tensione ai capi del circuito. Per fare ciò compie necessariamente un lavoro elettrico perché deve costringere le cariche a muoversi in una direzione che non percorrerebbero mai spontaneamente.

 

In un circuito elettrico un generatore di tensione viene rappresentato schematicamente come nella seguente figura. Al tratto più lungo corrisponde il polo positivo e a quello più corto il polo negativo:

 

 

Generatore di tensione

Simbolo dei generatori di tensione nei circuiti elettrici.

 

Onde evitare fraintendimenti è bene evidenziare un aspetto che potrebbe passare sotto traccia. Il regime di corrente continua non è l'unico che può essere realizzato in un circuito elettrico; ad esempio è possibile produrre un secondo tipo di corrente, vale a dire il regime di corrente alternata (AC, dall'inglese Alternating Current, indicata anche con il simbolo (~) ), che studieremo nel corso dedicato all'Elettromagnetismo.

 

In generale esistono quindi diverse tipologie di generatori di tensione che possono produrre corrente continua o corrente alternata, a seconda dei casi. Nel prosieguo del corso sull'elettricità noi ci occuperemo esclusivamente della corrente continua e dei generatori di tensione a corrente continua, dunque quando menzioneremo i generatori intenderemo sempre implicitamente "di corrente continua" e con il termine tensione intenderemo sempre una d.d.p. costante ai capi del circuito.

 

Esempio di generatore di tensione a corrente continua: la pila

 

Un esempio pratico di generatore di tensione che produce CC è dato dalla batteria, comunemente chiamata pila. Una pila presenta due poli, di cui uno positivo e uno negativo, che corrispondono rispettivamente ai simboli + e -.

 

Quando colleghiamo una pila a un circuito le cariche positive si staccano dal polo + e si dirigono verso il polo -. Così facendo esse tenderebbero ad annullare la differenza di potenziale presente tra i due estremi. Invece, una volta giunte al polo -, la pila muove forzatamente le cariche positive verso il polo + in modo che esse possano nuovamente correre lungo il circuito verso il polo -, e compiere un ulteriore giro.

 

Fintanto che la pila è in grado di svolgere questo compito, o meglio finché non si scarica, la corrente continua a circolare.

 

 


 

Tutto chiaro? :) In caso affermativo sorge spontanea una domanda: come si misura la tensione che un generatore è in grado di erogare, o se preferite la differenza di potenziale che è in grado di mantenere? E come si calcola il lavoro svolto da un generatore di tensione?

 

Entrambe le domande trovano risposta nella lezione successiva, in cui parleremo della forza elettromotrice. Per tutto il resto - lezioni, approfondimenti ed esercizi risolti - vi raccomandiamo di usare la barra di ricerca interna. ;)

 

 

Buon proseguimento su YouMath,

Alessandro Catania (Alex)

 

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