Teoria della Legge di Ohm
La legge di Ohm è un principio fondamentale nell’ingegneria elettrica che descrive la relazione tra corrente elettrica, tensione e resistenza. Questa legge afferma che la corrente che passa attraverso un conduttore tra due punti è direttamente proporzionale alla tensione attraverso i due punti e inversamente proporzionale alla resistenza tra di essi. Matematicamente, la legge di Ohm può essere espressa come:
I = V / R
dove I è la corrente in ampere, V è la tensione in volt, e R è la resistenza in ohm. In altre parole, se la tensione attraverso un conduttore aumenta, anche la corrente attraverso di esso aumenterà, a patto che la resistenza rimanga costante. Allo stesso modo, se la resistenza aumenta, la corrente diminuirà per una data tensione. La legge di Ohm è utile nella progettazione e nell’analisi dei circuiti elettrici, ed è una delle leggi fondamentali dell’ingegneria elettrica.
La legge di Ohm stabilisce che la R in questa relazione è costante e indipendente dalla corrente. Se la resistenza non è costante, l’equazione precedente non può essere chiamata legge di Ohm, ma può comunque essere usata come definizione di resistenza statica/DC. La legge di Ohm è una relazione empirica che descrive accuratamente la conduttività della stragrande maggioranza dei materiali conduttori elettrici su molti ordini di grandezza della corrente. Tuttavia, alcuni materiali non obbediscono alla legge di Ohm; questi sono chiamati non-ohmici.
Spiegazione Microscopica della Legge di Ohm
La legge di Ohm può essere spiegata a livello microscopico comprendendo il comportamento degli elettroni in un conduttore. In un conduttore, come un filo metallico, ci sono elettroni liberi che sono in grado di muoversi attraverso il materiale. Questi elettroni collidono con gli atomi del conduttore mentre si muovono, creando una resistenza al loro movimento. La resistenza di un conduttore è legata al numero di collisioni che si verificano mentre gli elettroni si muovono attraverso di esso.
Quando viene applicata una tensione attraverso un conduttore, essa crea un campo elettrico che fa muovere gli elettroni liberi in una direzione particolare. Gli elettroni subiscono una forza a causa di questo campo elettrico, che li fa accelerare e muoversi attraverso il conduttore. Tuttavia, gli elettroni non si muovono in linea retta ma piuttosto subiscono un moto casuale a causa delle collisioni con gli atomi del conduttore, perdendo energia e disperdendosi in direzioni casuali. Questo crea resistenza al flusso di elettroni e fa sì che parte dell’energia del campo elettrico venga convertita in calore.
La legge di Ohm può essere compresa in termini di questo comportamento degli elettroni. La corrente attraverso un conduttore è direttamente proporzionale alla tensione applicata su di esso, perché una tensione più alta crea un campo elettrico più forte che fa muovere più velocemente gli elettroni, risultando in una corrente più elevata. Tuttavia, la corrente è inversamente proporzionale alla resistenza del conduttore, perché una resistenza più alta significa che ci sono più collisioni e, quindi, meno elettroni liberi disponibili per trasportare la corrente.
La velocità di deriva degli elettroni in un conduttore è tipicamente piuttosto lenta, dell’ordine di qualche millimetro al secondo, anche se la corrente nel conduttore può essere piuttosto alta. Questo è dovuto al fatto che gli elettroni collidono costantemente con gli atomi del conduttore, rallentando il loro movimento complessivo. La velocità di deriva è proporzionale alla corrente. In un materiale resistivo, è anche proporzionale alla grandezza di un campo elettrico esterno. Sebbene la velocità di deriva sia relativamente lenta, è comunque un concetto importante per comprendere il comportamento delle correnti elettriche nei conduttori.
Il flusso complessivo di carica elettrica in un conduttore è determinato dalla combinazione della velocità di deriva e del numero di portatori di carica che si muovono attraverso il conduttore. Ad esempio, quando viene applicata una tensione DC, la velocità di deriva degli elettroni aumenterà proporzionalmente alla forza del campo elettrico. La velocità di deriva in un filo di rame del diametro di 2 mm in una corrente di 1 ampere è di circa 8 cm all’ora. Le tensioni AC non causano un movimento netto; gli elettroni oscillano avanti e indietro in risposta al campo elettrico alternato (su una distanza di pochi micrometri).
