Generatore elettrico e forza elettromotrice

Iniziamo a parlare del generatore elettrico e forza elettromotrice. Diciamo subito che, anche se si chiama generatore, non genera gli elettroni come molti pensano, bensì compie un lavoro su di essi. Vediamo come svolge il suo compito.

Come esempio di generatore prendiamo una batteria da 9V, ma il discorso è assolutamente generale. Cosa fa quando la mettiamo in un circuito ?

Esso deve mantenere i 9V ai capi della resistenza in modo tale che in essa circoli corrente continuamente e costante in valore.

Per avere una tensione fissa ai suoi capi, deve mantenere la dislocazione di cariche ai suoi elettrodi. Quando un elettrone arriva dal circuito esterno, lo prende e lo trasporta dall’elettrodo positivo a quello negativo.

Dato che non è affatto naturale per un elettrone passare dall’elettrodo positivo a quello negativo, il generatore deve compiere un lavoro contro le forze del campo elettrostatico E_Sche si forma a causa della dislocazione di carica. Questo lavoro corrisponde all’energia potenziale elettrostatica che acquista la carica. L’elettrone è pronto a partire per un altro giro durante il quale questa energia verrà dissipata nella resistenza per effetto di Joule.

Il generatore elettrico è un dispositivo che trasforma un tipo di energia, ad esempio chimica, in energia elettrica.

Una caratteristica del generatore è la quantità di energia trasformata in energia elettrica per unità di carica trasportata. Essa è chiamata forza elettromotrice f.e.m. e viene indicata con la lettera f

$\displaystyle{\mathbf{f=\frac{dE}{dq}}}$

Dove E stà per energia, non per campo elettrico.

Di qualunque tipo sia l’energia che in un generatore viene trasformata in energia elettrica, possiamo pensare che esiste una forza che agisce sulla carica per portarla da un elettrodo all’altro. Questa forza, essendo proporzionale alla carica, ci permette di parlare di un campo all’interno del generatore di verso opposto a E_S.

In pratica, gli effetti chimici, o meccanici, … che avvengono nel generatore, li schematizziamo con l’esistenza di un campo E_mdetto campo elettromotore.

Se il generatore è a circuito aperto, ossia se non c’è attaccato niente, esso trasporta le cariche da un elettrodo all’altro fino al raggiungimento dell’equilibrio.

$\displaystyle{\mathbf{\overrightarrow{\mathbf{E}}_S+\overrightarrow{\mathbf{E}}_m=0}}$

Se integriamo tra i morsetti A e B otteniamo

$\displaystyle{\mathbf{\int_A^B\overrightarrow{\mathbf{E}}_S\cdot d\overrightarrow{\mathbf{r}}=-\int_A^B\overrightarrow{\mathbf{E}}_m\cdot d\overrightarrow{\mathbf{r}}}}$ .

$\displaystyle{\mathbf{\int_A^B\overrightarrow{\mathbf{E}}_S\cdot d\overrightarrow{\mathbf{r}}=\int_B^A\overrightarrow{\mathbf{E}}_m\cdot d\overrightarrow{\mathbf{r}}}}$

L’integrale a sinistra è la differenza di potenziale tra A e B. Quello a destra è la forza elettromotrice f

$\displaystyle{\mathbf{V_A-V_B=f}}$

La forza elettromotrice è la differenza di potenziale del generatore a circuito aperto.

A circuito chiuso, come quando ad esempio lo colleghiamo ad una resistenza, anche nel generatore si presentano delle perdite. Queste vengono rappresentate tramite una resistenza r detta resistenza interna al generatore.

Quando scorre corrente, la differenza di potenziale tra i morsetti del generatore è minore della forza elettromotrice.

I parametri caratteristici di un generatore sono la f.e.m. f e la resistenza interna r.

Attenzione : non createvi problemi per via del verso della corrente che si disegna nei circuiti. Abbiamo più volte ribadito che è un verso convenzionale, dovuto a motivi storici. Gli elettroni vanno, in realtà, nel verso contrario.