GiorgioBrera

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Una o due definizioni prima di tutto.

L'intensità di corrente (simbolo I, o semplicemente corrente e che qualcuno chiama volgarmente amperaggio dal nome dell'unità di misura, l'Ampere, simbolo A) è la quantità di carica che attraversa la sezione di un conduttore in un certo intervallo di tempo. La definizione di carica elettrica qui la prendiamo così, alla buona. È una proprietà di certe strane particelle piccolissime, sub-atomiche, come gli elettroni (o i protoni). Gli elettroni si muovono, a volte, e così facendo portano a spasso la loro carica. Il movimento di tali cariche si definisce corrente elettrica. La carica può essere positiva o negativa, non come la massa che è solo positiva (non è vero, ma bisognerebbe tirare in ballo Einstein e a noi non serve saperlo e non ci servirà mai neanche in mille vite).

La resistenza di un conduttore rettilineo è proporzionale alla sua lunghezza e inversamente proporzionale alla sua sezione.

Per conduttore rettilineo si intende un conduttore che ha una dimensione preponderante rispetto alle altre due. Un cubo di rame non è un conduttore rettilineo. Lo è invece ad esempio un filo di rame lungo e sottile con sezione circolare in cui la corrente elettrica fluisce in direzione della lunghezza.

Quindi per un conduttore la lunghezza è la dimensione coincidente col verso della corrente: più è lungo maggiore è la resistenza. Invece, poiché la corrente fluisce perpendicolarmente alla sezione, maggiore è la superficie della sezione minore sarà la resistenza.

La resistenza si misura in ohm (simbolo Ω) dipende poi dal materiale di cui è costituito e dalla temperatura in quell'istante.

Riassumendo, la resistenza di un conduttore rettilineo è esprimibile con questa formula:

image001.gif


Dove
l è la lunghezza (si misura in metri o multipli e sottomultipli)
S è la superficie della sezione (si misura in m2 o multipli e sottomultipli)
image002.gif
(si pronuncia "ro", lettera greca) è definita come resistività e dipende dal materiale, non dalle dimensioni dell'oggetto.

I buoni conduttori sono in genere metalli (rame, alluminio, oro, argento, ecc.) e hanno un valore di resistività basso. Ma la resistività dipende anche dalla temperatura. Al crescere della temperatura la resistività crescerà per motivi fisici (aumenta l'oscillazione degli atomi del materiale e tale oscillazione renderà più difficile il flusso della corrente)

La resistenza esprime, in sintesi, l'opposizione del conduttore al passaggio di corrente. La resistività esprime l'opposizione propria del materiale di cui è costituito il conduttore.

Immaginiamo di fare un viaggio in autostrada. Dobbiamo andare dalla città A alla città B. Possiamo dire che la lunghezza (l) della strada influenza temporalmente il viaggio. Percorso più lungo, viaggio più lungo. Possiamo anche dire che un'autostrada con 3 corsie ci consentirà di viaggiare più velocemente rispetto a una a 2 corsie, cioè la sezione (S) della strada influenzerà il viaggio. Inoltre una strada liscia e ben asfaltata consentirà di andare più veloci rispetto a una strada di ghiaia o ciottoli. Questa è una spiegazione del concetto di resistenza e di resistività: ci sono materiali che conducono meglio di altri così come ci sono strade in cui si viaggia meglio. Il traffico, cioè la quantità di auto con cui devo condividere la strada, è in un certo senso paragonabile all'influenza della temperatura sulla resistività. Ma questo lo vediamo in seguito.

Di norma, nelle applicazioni elettrotecniche, si preferisce utilizzare conduttori a bassa resistenza, la minore possibile a parità di altri fattori tecnici. Si privilegia il rame o l'alluminio e, in applicazioni microelettroniche, dove tutto è molto piccolo, ci si può spingere ad usare l'oro o l'argento. Economicamente non si può fare un elettrodotto in oro, meglio l'alluminio che costa qualche ordine di grandezza in meno. In un dispositivo elettronico molto, molto piccolo, qualche goccia d'oro si può anche mettere se ne vale la pena. Nel caso delle sigarette elettroniche invece, quando si parla di resistenza, si sfrutta la proprietà di certi metalli di condurre "maluccio", cioè di non essere buoni conduttori.

Entriamo un po' nel dettaglio...

Un conduttore percorso da corrente elettrica si scalda. Il calore viene dissipato all'esterno, finché ci si riesce, oppure, dopo una certa soglia, il conduttore inizia a fondere. Il fenomeno fisico del riscaldamento dei conduttori percorsi da corrente si chiama effetto Joule, da cui la cosiddetta legge di Joule.

Supponiamo di fare un esperimento (Don’t try this at home!).

image002.jpg


Contenitore pieno di acqua (distillata, cioè senza sali disciolti, altrimenti succede un casino), nel contenitore immergiamo un tratto di conduttore rettilineo di lunghezza l e sezione S. Nell'acqua mettiamo anche un termometro (serve per misurare, non influenza l'esperimento). Facciamo scorrere una corrente elettrica di intensità I nel conduttore. Il termometro, dalla posizione di temperatura ambiente, inizierà a segnare un aumento di temperatura. Più tempo lascio scorrere la corrente maggiore sarà la temperatura misurata. Dopo un intervallo di tempo Dt la temperatura sarà cresciuta di un certo numero di gradi. Lasciando raffreddare tutto, ripetiamo l'esperimento applicando una corrente elettrica maggiore e poi minore e poi per altri valori. Si vede che l'acqua in cui è immerso il conduttore percorso da corrente si riscalderà più o meno a seconda del valore della corrente elettrica (a parità di tempo Dt). In formule questo esperimento è esprimibile come:

image005.gif


Il calore E ceduto dal conduttore percorso da corrente (che in quanto percorso da corrente si è scaldato) all'acqua (l'acqua mi serve per misurare la temperatura e quindi il calore, cioè l'energia ceduta all'acqua) è proporzionale alla resistenza R del conduttore (calcolata come detto prima), al tempo Dt durante il quale la corrente è fluita nel conduttore e, attenzione, al quadrato dell'intensità di corrente I. Cioè, se raddoppio la corrente l'energia quadruplica; se la corrente triplica, l'energia aumenta di 9 volte, e così via.

Poiché la potenza elettrica P (si misura in Watt, simbolo W) è definita come energia ceduta (cioè dissipata) dal conduttore nell'unità di tempo, la relazione scritta sopra può essere anche scritta come:

image006.gif


Questa è la legge di Joule espressa in termini di potenza, quella precedente in termini di energia (o calore che è una forma di energia).

Cosa c'entra la tensione? C'entra, eccome se c'entra. La tensione (si misura in Volt, simbolo V, da cui il nome volgare di voltaggio) è l'energia posseduta da ogni unità di carica elettrica (definizione da bar). Un generatore elettrico, come una batteria delle nostre box, è un dispositivo che, chimicamente, riesce a dare energia alle cariche elettriche. Se riesco a creare un percorso (che deve essere chiuso) le cariche piene di energia si muovono. Quelle negative tendono a muoversi velocissimamente verso il polo positivo della batteria, quelle positive invece fanno il percorso opposto, tendono a muoversi verso il polo negativo. Nelle nostre applicazioni reali a muoversi sono gli elettroni che sono negativi. Se non c'è un percorso che collega i due poli della batteria gli elettroni stanno fermi, ma impazienti di muoversi perché pieni di energia potenziale ("tendono" a muoversi, cioè tensione). Potenziale perché potenzialmente tale energia consentirebbe agli elettroni di muoversi, ma siccome la strada è chiusa stanno fermi. L'energia potenziale la fornisce la batteria (in generale un qualunque generatore elettrico). E' come una mela sul ramo di una albero a 5 metri di altezza. La mela una energia potenziale che le consentirebbe di fare 5 metri in discesa, ma siccome c'è il picciolo, rimane ferma, immobile attaccata la ramo. Se taglio il picciolo la mela cade e trasforma la sua energia potenziale in energia cinetica, cioè energia di movimento. Arrivata a terra non può andare più avanti, quindi la sua energia potenziale diventa zero (a meno di non inziare a scavare...). Tutta la sua energia potenziale si è trasformata in energia cinetica che ha prodotto il movimento. Allo stesso modo, per muovere gli elettroni, pieni di energia potenziale fornita dalla batteria, devo fornire un percorso (ramo-terreno) e devo chiudere un interruttore (taglio il picciolo).

Se il percorso preparato per gli elettroni dal polo positivo al polo negativo della batteria è costituito da un materiale di bassa resistività (cioè un buon conduttore), se il percorso è corto e se la sezione e grande (gli elettroni riescono a fluire contemporaneamente senza spintonarsi), la vita è più facile, come nel viaggio in autostrada visto prima. Cioè minore è la resistenza del circuito elettrico (il percorso), minore sarà la fatica fatta dagli elettroni che così consumeranno meno energia (meno benzina). Se invece la resistenza è grande servirà più energia, perché gli elettroni ne consumeranno molta lungo la strada per vince la resistenza del conduttore. Dove finisce l'energia consumata dagli elettroni lungo la strada? Energia che come abbiamo detto è fornita dalla batteria? Si trasforma in calore. Fondamentalmente per attrito tra gli elettroni che si muovono (a velocità prossime a quella della luce) e gli atomi del conduttore. Se c'è tanto attrito e il materiale è quello giusto, parte dell'energia consumata dalle cariche elettriche in movimento si trasforma in luce; sfruttando questa proprietà sono state inventate le lampadine, quelle vecchie, quelle a filamento. Ma in sostanza funzionano così anche quelle a scarica di gas e, in minima parte, anche quelle nuove a LED. Per le sigarette elettroniche (così come per le stufette elettriche e per gli scaldabagno elettrici) si sfrutta la proprietà di alcuni materiali di essere conduttori scarsi, non come il rame. Noi vogliamo conduttori resistivi, che si scaldino quando passa corrente. Non il rame che conduce troppo bene e ci vorrebbero coil di qualche centimetro di diametro per svapare, non il PVC o qualunque tipo di plastica che non conduce, anzi, che prima di iniziare a condurre si brucia, anzi non conduce nemmeno quando brucia, le cariche spaccano tutto e si fanno strada con violenza.

La tensione di una batteria (come la tensione di una presa elettrica di casa) è la capacità della batteria di fornire energia alle cariche elettriche per muoversi in un materiale: se è un buon conduttore si muovono bene e con poco attrito, se è un cattivo conduttore si muovono ma con minor agio e quindi con maggior attrito e quindi con maggior energia dissipata, se è un non conduttore non si muovono proprio (vuoto, aria, plastica, ecc.). L'acqua non è un buon conduttore, anzi, ma l'acqua di rubinetto lo è perché al suo interno sono disciolti sali che come tali si scindono in due corpuscoli conduttori (detti ioni). Il sale da cucina disciolto in acqua la rende, così "condita", un ottimo conduttore. La molecola del sale NaCl in acqua si divide in Na+ e Cl-. Il cloro Cl frega un elettrone al sodio Na e così entrambi veleggiano allegramente dentro l'acqua elettricamente carichi.

La legge di Ohm mette in relazione la tensione e la corrente per una data resistenza e si esprime con questa formula:

image007.gif


cioè, la tensione misurata ai capi di un conduttore di resistenza R percorso da una corrente di intensità I è pari al prodotto della resistenza del conduttore per l'intensità di corrente: R per I. Se ai capi di un conduttore di resistenza R applico una tensione V, la corrente che attraverserà la resistenza sarà:

image010.gif


Più tensione applicata, più corrente. Due batterie da 1,5V in serie consentiranno di ottenere una corrente doppia nella stessa resistenza. Al contrario, minor resistenza, maggior corrente a parità di tensione applicata. L'abbiamo visto prima: se voglio far scorrere delle cariche in un conduttore di resistenza R devo dotare le cariche di energia per vincere la resistenza. Se la resistenza cresce, per ottenere la stessa corrente, devo aumentare l'energia fornita dalla batteria, cioè la tensione.

Legge di Joule e legge di Ohm sono quello che ci serve per capire perché, applicando la tensione di una batteria a una resistenza, riusciamo a far evaporare il liquido di una sigaretta elettronica. In fisica e in elettrotecnica la resistenza è la proprietà fisica di un conduttore. Se creo un oggetto e voglio che la sua caratteristica peculiare sia quella di essere dotato di un valore di resistenza prestabilito R, tale oggetto si chiama resistore. Nel gergo tecnico, in elettronica come nel mondo delle e-cig, il resistore viene di solito chiamato resistenza. Basta saperlo, chiamiamo l'oggetto come la caratteristica fisica che lo contraddistingue. I vapers arrotolano filo resistivo - cioè filo metallico conduttore, ma non troppo, con resistività non bassissima - per produrre resistori. Ma tutti li chiamiamo resistenze, poco male.

La batteria fornisce l'energia alle cariche elettriche per scorrere nel circuito. Le cariche attraversano la resistenza (il resistore, la coil) e la scaldano per effetto Joule. La resistenza trasferisce il calore al liquido (usando una wick per "tenerlo fermo" e a contatto con il metallo) che scaldandosi vaporizza. L'aria che aspiriamo raffredda tutto il sistema perché porta via il vapore e con esso il calore dissipato dalla resistenza. Se la resistenza non è abbastanza calda il liquido non vaporizza, se lo è troppo si brucia il cotone (e forse anche il filo resistivo e forse anche l'atom).

Parametro importante è la superficie della resistenza a contatto col liquido. E' come un termosifone. Più è grande la superficie di scambio meglio funziona. Maggiore è la superficie di scambio migliore sarà la sua dissipazione, cioè migliore sarà la capacità di trasferire il calore nel liquido nell'unità di tempo. La superficie di scambio termico è uguale al prodotto della circonferenza del filo resistivo per la sua lunghezza. Resistori di sezione maggiore hanno una superficie di scambio termico maggiore a parità di lunghezza. Le coil si arrotolano in spire perchè così si riesce a renderle compatte. La superficie di scambio lambisce il cotone in meno spazio rispetto a una coil dritta, senza spire. Le spire hanno anche il vantaggio di tener fermo il cotone...

Quindi a parità di lunghezza e di materiale, un filo di sezione maggiore avrà minor resistenza e maggior superficie di scambio termico rispetto a un filo più sottile.
A parità di tensione applicata, di materiale e di lunghezza, un filo di sezione maggiore sarà attraversato da una corrente più grande e dissiperà più potenza, quindi dissiperà più calore.

La combinazione di questi fattori, insieme alla proprietà di un liquido di vaporizzare a una certa temperatura, permette di dimensionare gli strumenti da svapo.

A questo bisogna aggiungere la questione delle batterie. Sono oggetti che funzionano bene, fanno il loro lavoro che è quello di fornire energia alle cariche elettriche che attraversano le resistenze, scaldandole e producendo vapore. L'energia della batteria consente, alla fine, di vaporizzare il liquido. Ma le batterie non sono eterne. Dopo un po' la proprietà di fornire energia alle cariche diminuisce, fino ad annullarsi. Dipende dal tempo e dall'energia nel tempo, cioè quanto velocemente estraggo l'energia, cioè dalla potenza. Quindi devo ricaricarle perché, accumulando energia presa da un'altra fonte, una presa elettrica ad esempio, siano di nuovo in grado di spingere le cariche elettriche e quindi produrre corrente. Ma hanno dei limiti: dopo un po' di carica e scarica si indeboliscono, perdono le loro proprietà, si "spompano". Infatti sono garantite per un certo numero di cicli di carica, poi basta, poi invecchiano, non ce la fanno più. Inoltre le batterie hanno un limite anche nella loro capacità di produrre alti livelli di corrente. Oltre un certo limite, se le metto addosso a una resistenza troppo bassa, loro erogano tutta l'energia in un colpo solo, la corrente è alta e loro stesse non riescono a sopportarlo. Una Ferrari di Formula 1 è fatta per andare a 350 km/h e ci riesce. Una Panda non ci riesce, a 90 all'ora perde già pezzi. Posso far andare una Ferrari di Fomula 1 e una Panda anche a 1.000 km/h, facendole cadere entrambe da un elicottero. Così raggiungono velocità più alte. Però fanno un solo viaggio. Così le batterie, ci sono quelle che vanno più o meno forte, cioè sono in grado di sopportare più o meno corrente elettrica, ma oltre un certo limite si sfasciano. Superare i limiti in corrente di una batteria è come essere seduti sul sedile di una Ferrari o di una Panda che cade da un elicottero da trasporto. Ferrari o Panda ci si fa male in tutti e due i casi.

Perché le box a volte applicano alle coil una tensione superiore a quella della batteria che hanno in corpo? Perché hanno dei circuiti elettronici che, con qualche trucco, la alzano a scapito della corrente. Sono così bravi che riescono a variarla. Una cosa rimane fissa, l'energia totale che nel tempo viene trasferita alla coil. Se aumento la tensione, cresce la potenza erogata alla coil che la dissipa scaldandosi, ma l'energia accumulata nella batteria finisce prima.
 
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GiorgioBrera

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La resistenza si misura in ohm (simbolo W)

Errata corrige.
Il simbolo dell'ohm è la lettera greca omega maiuscola, ma io stupidamente non ho considerato che l'editor del forum non ha le lettere greche tra i font. Sorry...
 

James_Dean

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Per me che sono alle prime armi l ho trovata molto interssante! Grazie
 

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