Una corrente elettrica consiste in un flusso di particelle cariche o ioni. Tale concetto è valido per il gas ionizzato, o plasma, nelle soluzioni elettrolitiche o agli elettroni in un conduttore metallico.

I materiali conduttori vengono detti di prima specie se i portatori di carica della corrente sono ioni (atomi a cui si sono strappati o donati uno o più elettroni), come nelle soluzioni dei circuiti elettrochimici, e di seconda specie se i portatori di carica nel circuito sono elettroni.

Per generare una corrente è necessario applicare un campo elettrico che muova le particelle cariche in una direzione ben definita. L'intensità di una corrente elettrica è definita come la carica elettrica che fluisce nell'unità di tempo attraverso una sezione di spazio attraversata dalla corrente, come la sezione di un tubo acceleratore o di un filo metallico. In assenza di campo elettrico, gli elettroni di conduzione sono comunque in movimento con velocità istantanee che possono raggiungere percentuali della velocità della luce (tipicamente l'1%) tra un urto e l'altro con gli ioni del reticolo cristallino. In questo caso però la somma risultante delle varie componenti di velocità degli innumerevoli elettroni di conduzione è nulla, perché ciascun portatore viaggia nella nube elettronica del conduttore con una direzione e velocità assolutamente casuali.

Nel caso si applichi un campo elettrico, il moto casuale dei portatori di carica viene forzato ad assumere una componente di velocità complessiva non nulla nella direzione opposta al verso del campo elettrico (l'elettrone ha segno negativo), tale velocità, che viene detta velocità di drift o deriva (v_d) risulta molto bassa rispetto al'estremo limite superiore della velocità rappresentato da c = 300 000 Km/sec, e anche nei materiali cristallini più perfetti non supera i millimetri o centimetri al secondo. Strano a dirsi, ma dall'esempio che segue [1], con pochi semplici calcoli è possibile constatarlo.

L'esempio spesso citato nei libri (e sui siti web di alcune scuole, vedi il sito del liceo Foscarini) si riferisce invece alla velocità che puoò assumere un segnale elettrico di commutazione, e quindi alla propagazione del campo elettrico. In questo caso l'esempio delle palline in un tubo è calzante, anche se oggi un po' forzato perché i dispositivi e i conduttori in cui è possibile il passaggio di un elettrone alla volta sono realtà, ma sono ciò di più all'avanguardia nel campo delle nanotecnologie e della nanoelettronica e in questo caso le leggi fisiche sono completamente diverse da quelle macroscopiche e obbediscono alla meccanica quantistica (http:// luciano.stanford.edu/ ~shimbo/ set.html).

L'ideaè comunque quella di far capire che l'impulso dato a una pallina a un capo del tubo si propaga con velocità quasi istantanea, diciamo molto prossima a quella della luce, all'altro capo. Notare bene: l'impulso! Non la pallina! Ciò può dare immediatamente la base per capire come sia possibile per un computer realizzare miliardi di operazioni al secondo — i famosi Gigaflops, miliardi di operazioni in virgola mobile (floating point operations) al secondo — con una logica binaria che non è altro che una fantasmagoricamente complessa rete di interruttori (i transistors o i C-MOS). In questo caso l'informazione può venire temporizzata con orologi (clock) via via più veloci, perché non è rappresentata dal flusso di elettroni, ma dalla propagazione del campo elettrico nel circuito che avviene attraverso l'apertura e la chiusura di miliardi di interruttori che commutano con la frequenza di clock.

Definizione di corrente elettrica

Quando si parla di corrente elettrica, ci si riferisce alla sua intensità, ossia alla quantità di carica elettrica totale che attraversa una determinata superficie (o sezione) nel tempo impiegato per questo attraversamento. L'unità di misura dell'intensità di corrente è l'ampere (A) e la sua definizione è piuttosto complessa, in quanto deriva dall'azione elettrodinamica scoperta dal grande scienziato francese André Maria Ampère (1775-1836).

Inmodo semplice si può correttamente dire che una corrente costante di 1A è l'intensità di una corrente corrispondente ad una carica elettrica di un Coulomb (C) che, attraversa una sezione di un conduttore nell'unità di tempo (s). Lo strumento che misura la corrente è l'amperometro.

Un po' di formule...

• n è il numero di cariche per volume unitario
• A è la sezione del conduttore
• A·d è quindi il volume del conduttore relativo alla lunghezza d
• Q =&nsbsp;n·e·A·d è il totale di cariche mobili nella lunghezza d del conduttore
• T = d/v_dè il tempo impiegato dal totale delle cariche mobili che possiedono velocità media di deriva (drift) ad attraversare il punto di misura

formula n. 1

formula n. 2

Un esempio...

Consideriamo 63 grammi di rame, e cioè una mole e cioè 6,02·10²³atomi, abbastanza per farne un filo di alcuni metri (dipende dal diametro). All'interno del rame che è un metallo, esiste una notevole quantità di elettroni liberi di condurre corrente se ai capi del filo viene applicato un campo elettrico. Sapendo che la carica totale libera tipica di una mole di rame è di circa 100 000 coulomb, calcolate la velocità di deriva media v_d degli elettroni attraverso un filo (composto da una mole di rame) di 1 millimetro di raggio, 10 metri di lunghezza e in cui passano 10 A.
Se nel filo scorrono 10 Ampere, dalla formula 1 troviamo che essi equivalgono a 10 C di cariche mobili che passano attraverso la sezione di misura in 1 secondo. Il tempo che tutte le cariche presenti nel filo impiegheranno per passare attraverso la sezione di misura (vedi figura) sarà il tempo medio che un elettrone impiega per attraversare il filo. Per far passare 100 000 C a 10 C/s (leggi 10 coulomb al secondo) occorrono quindi 10 000 secondi!
La velocità di deriva è presto calcolata: v_d = 10 metri/10 000 secondi
O meglio 10 000 millimetri/10 000 secondi = 1 mm/s !!!

Per ulteriori approfondimenti

Testi

• Alonso, Finn, Elementi di Fisica per l'università, vol. II campi e onde, a cura di E. Gatti, Masson - Addison-Wesley
• Ashcroft, Mermin, Solid State Physics, Harcourt College Publishers

Siti web italiani

• Il circuito elettrico e le sue grandezze, sito dell'Enel
• Elettronica per cominciare
• Lezioni di elettrotecnica ed elettronica
• La corrente elettrica, Liceo Foscarini di Venezia
• Appunti di elettrotecnica, Istituto Tecnico Industriale Galileo Galilei di Mirandola (MO)
• Museo elettrico virtuale
• Pericolosità della corrente elettrica

• Electricity, del sito SciNet, the ultimate Science World Wide Web resource
• Electric Current
• Microscopic View of Ohm's Law
• Electric current - implication
• Current, dall'enciclopedia Wikipedia
• Electric current
• Tutorials for Learning about Basic Electronics, dal sito dell'Iguana Labs
• Single-Electron Transistors