Cos'è la Legge di Ohm? Spiegazione semplice con circuiti

Prima di iniziare, prendiamo il caricabatteria del vostro smartphone. Lo avete tutti, vero? Ecco, quello che state tenendo in mano è un perfetto esempio di come l'energia elettrica viene trasformata e controllata attraverso circuiti che seguono precise leggi fisiche. Quando collegate il caricabatteria alla presa di corrente e poi al telefono, state creando un circuito elettrico che deve rispettare delle regole precise, altrimenti il vostro telefono si danneggerebbe.

La Legge di Ohm è come il codice della strada per l'elettricità. Così come quando guidate dovete rispettare i limiti di velocità e le precedenze, l'elettricità deve seguire delle regole ben precise quando attraversa i materiali. Georg Simon Ohm era un fisico tedesco che nell'Ottocento ha scoperto questa legge fondamentale studiando come la corrente elettrica si comporta nei diversi materiali. Immaginate di essere l'acqua che scorre in un tubo.

La pressione dell'acqua è come la tensione elettrica, che si misura in Volt. Il flusso d'acqua che passa è come la corrente elettrica, che si misura in Ampere. E la resistenza del tubo al passaggio dell'acqua è come la resistenza elettrica, che si misura in Ohm. Se aumentate la pressione, aumenta anche il flusso d'acqua.

Se il tubo è più stretto, cioè ha più resistenza, passa meno acqua anche con la stessa pressione. La Legge di Ohm dice esattamente questo: la corrente che passa in un circuito è uguale alla tensione divisa per la resistenza. Se ho una batteria da 9 Volt e una resistenza di 3 Ohm, la corrente sarà di 3 Ampere. È matematica semplice: 9 diviso 3 fa 3.

Ma vediamo degli esempi concreti. Quando accendete una lampadina a incandescenza tradizionale, quella con il filamento di tungsteno, state vedendo la Legge di Ohm in azione. Il filamento ha una certa resistenza. Quando la corrente lo attraversa, incontra questa resistenza e si scalda fino a diventare incandescente, producendo luce.

Se il filamento avesse una resistenza diversa, la lampadina si comporterebbe diversamente: troppo poca resistenza e si brucerebbe immediatamente, troppa resistenza e non farebbe abbastanza luce. Prendiamo ora il ferro da stiro di casa vostra. All'interno c'è una resistenza elettrica, proprio come quella della lampadina, ma progettata per scaldare invece che per fare luce. Quando regolate la temperatura con la manopola, state in realtà modificando quanto tempo la corrente passa attraverso questa resistenza.

Più tempo passa, più si scalda, più alta è la temperatura del ferro. I circuiti elettrici sono come le strade di una città. Ci sono strade principali dove passa molto traffico e stradine secondarie dove ne passa poco. Nei circuiti elettrici abbiamo la stessa cosa: ci sono percorsi principali dove passa molta corrente e percorsi secondari dove ne passa poca.

La differenza è che nei circuiti elettrici tutto succede alla velocità della luce. Esistono due tipi principali di circuiti: quelli in serie e quelli in parallelo. Nel circuito in serie, tutti i componenti sono collegati uno dopo l'altro, come le perline di una collana. Se una perlina si rompe, tutta la collana si disfa.

Allo stesso modo, se un componente si guasta in un circuito in serie, tutto il circuito smette di funzionare. Un esempio perfetto di circuito in serie sono le vecchie luminarie natalizie. Ricordate quando se si bruciava una lampadina, si spegnevano tutte le altre? Ecco, quello era un circuito in serie.

La corrente doveva passare attraverso tutte le lampadine una dopo l'altra. Quando una si rompeva, il circuito si interrompeva e nessuna lampadina riceveva più corrente. Nel circuito in parallelo invece, ogni componente ha il suo percorso diretto verso la fonte di energia, come gli appartamenti di un condominio che hanno tutti il loro collegamento diretto al contatore generale. Se in un appartamento salta la corrente, negli altri continua a funzionare tutto normalmente.

L'impianto elettrico della vostra casa è costruito in parallelo. Ogni presa, ogni lampadina, ogni elettrodomestico ha il suo collegamento diretto al quadro elettrico. Per questo motivo, se si brucia la lampadina della vostra camera, quella del soggiorno continua a funzionare perfettamente. Se fosse tutto collegato in serie, spegnendo una lampadina si spegnerebbe tutto l'impianto di casa.

La Legge di Ohm ci aiuta anche a capire perché alcuni materiali sono buoni conduttori e altri no. I metalli come il rame hanno una resistenza molto bassa, quindi la corrente li attraversa facilmente. Per questo i fili elettrici sono fatti di rame. La plastica invece ha una resistenza altissima, praticamente infinita, quindi la corrente non riesce a passare.

Per questo i fili sono ricoperti di plastica: per proteggerci dalla corrente. Quando i vostri genitori pagano la bolletta della luce, stanno pagando l'energia elettrica consumata, che dipende proprio dalla Legge di Ohm. Ogni elettrodomestico ha una sua potenza, che è il prodotto della tensione per la corrente. Un asciugacapelli potente consuma molta corrente perché deve scaldare l'aria rapidamente.

Una lampadina a LED consuma poca corrente perché è progettata per essere efficiente. Facciamo un esempio pratico. Se avete un tostapane che funziona a 220 Volt e assorbe 5 Ampere di corrente, la sua resistenza interna sarà di 44 Ohm. Come lo calcoliamo?

Tensione divisa corrente: 220 diviso 5 uguale 44. Questa resistenza è quella che genera il calore necessario per tostare il pane. Ma attenzione, la resistenza può cambiare con la temperatura. Il filamento di una lampadina a incandescenza quando è freddo ha una resistenza diversa da quando è caldo.

Per questo motivo, quando accendete la lampadina, nei primi istanti passa più corrente del normale. È come quando partite con l'auto al freddo: il motore ha bisogno di più energia inizialmente. I circuiti elettronici moderni sono molto più complessi di quelli che abbiamo visto finora, ma seguono sempre la stessa Legge di Ohm. Nel vostro smartphone ci sono milioni di piccolissimi circuiti che lavorano insieme.

Ognuno di questi ha le sue resistenze, le sue tensioni e le sue correnti, tutte calcolate secondo la Legge di Ohm. La sicurezza elettrica è strettamente legata a questi concetti. I fusibili e gli interruttori automatici che trovate nel quadro elettrico di casa sono progettati per interrompere il circuito quando la corrente supera un valore pericoloso. Se per qualche motivo la resistenza di un circuito diminuisce troppo, la corrente aumenta proporzionalmente.

Quando raggiunge il limite di sicurezza, il sistema di protezione interviene e stacca la corrente. Pensate ai fulmini: sono scariche elettriche naturali dove la tensione è altissima, milioni di Volt. L'aria normalmente ha una resistenza enorme, ma quando la tensione diventa così alta, l'aria si ionizza e diventa conduttrice. In quel momento passa una corrente enorme che produce il fulmine che vedete e il tuono che sentite.

Anche le batterie seguono la Legge di Ohm. Una batteria scarica non è che abbia perso la sua tensione, ma ha aumentato la sua resistenza interna. Per questo motivo, quando provate ad accendere la torcia con batterie scariche, la luce è fioca: la resistenza interna alta limita la corrente che può passare. Quando caricate il telefono, state vincendo questa resistenza interna della batteria e forzando la corrente a passare nel verso opposto, ricaricando la batteria.

Il caricabatteria deve fornire una tensione leggermente più alta di quella della batteria per far passare corrente nel verso della ricarica. I materiali superconduttori, che alcuni di voi potrebbero aver sentito nominare, sono materiali che a temperature molto basse hanno resistenza praticamente zero. Immaginate cosa succederebbe secondo la Legge di Ohm: con resistenza zero, anche una piccola tensione produrrebbe una corrente enorme. Per questo i superconduttori hanno applicazioni così interessanti, ma anche così complesse da gestire.

Ricapitoliamo quello che abbiamo visto oggi. La Legge di Ohm ci dice che la corrente elettrica è uguale alla tensione divisa per la resistenza. Questa legge semplice governa il comportamento di tutti i circuiti elettrici, dal più semplice al più complesso. I circuiti possono essere collegati in serie, dove la corrente passa attraverso tutti i componenti uno dopo l'altro, oppure in parallelo, dove ogni componente ha il suo percorso diretto.

La resistenza dei materiali determina quanto facilmente la corrente può passare attraverso di essi. Tutti gli elettrodomestici, i dispositivi elettronici e gli impianti elettrici che usiamo ogni giorno funzionano secondo questi principi. La prossima volta che accenderete una lampadina o collegherete il caricabatterie, ricordatevi che state vedendo la Legge di Ohm in azione. È la fisica che governa il mondo elettrico che ci circonda.

Nella prossima lezione parleremo delle diverse forme di energia e delle loro trasformazioni, vedendo come l'energia elettrica che abbiamo studiato oggi si può trasformare in energia termica, meccanica e luminosa negli oggetti che usiamo tutti i giorni. Ci vediamo alla prossima lezione!