Cap. 9 L’elettricità
9.1 Energia elettrica
Tutti noi siamo abituati a vivere in un modo in cui l’energia elettrica ha un ruolo
fondamentale perché fa funzionare la maggior parte degli apparecchi di cui
siamo circondati. Trattandosi di un’energia essa è in grado di compiere un
lavoro che viene assicurato dal movimento di particelle che noi chiamiamo
cariche elettriche.
9.2 Le cariche elettriche
Come già sappiamo dallo studio degli atomi in natura esistono cariche elettriche
positive e negative.
Le cariche elettriche positive sono rappresentate dai protoni quelle negative
dagli elettroni e sono entrambe presenti nell’atomo (Fig. 1).
Il fatto che l’atomo si presenti elettricamente neutro è dato dall’uguaglianza
delle cariche positive e negative.
9.3 L’origine della parola elettricità
L’origine della parola elettricità deriva dal greco élecktron che significa ambra.
Già i greci si erano accorti che l’ambra strofinata era in grado di attrarre piccoli
oggetti (fig. 2) e tutto questo senza sapere come era fatto un atomo, anzi, la
filosofia dominante (aristotelica) ne negava l’esistenza.
9.4 Elettrizzazione per strofinio
Il fenomeno conosciuto ai greci prende oggi il nome di elettrizzazione per
strofinio (fig. 2). Tutti voi sapete che strofinando una penna questa è in grado di
attrarre pezzi di carta. Durante lo strofinio il corpo che viene strofinato acquista
delle cariche. Ma queste cariche cono sempre le stesse?
9.5 Semplici esperimenti
Semplici esperimenti permisero di determinare che gli oggetti potevano avere
cariche elettriche differenti. Se strofiniamo due bacchetta di vetro e le
avviciniamo queste si respingono (fig. 3) mentre se strofiniamo due bacchette
una di vetro e una di ebanite (un materiale plastico) queste si attraggono (fig.4)
9.5.1 Corpi aventi la stessa carica
Risulta evidente che i corpi si caricano in maniera diversa. Due bacchette di
vetro, essendo composte dello stesso materiale, ci caricheranno nello stesso
modo, perciò possiamo concludere che corpi aventi la stessa carica si
respingono. (fig. 5)
9.5.2 Corpi aventi carica diversa
Due materiali diversi possono caricarsi in maniera diversa. Se vetro ed ebanite si
attraggono debbono avere una carica opposta per comportarsi in una maniera
diversa da quella di due bacchette di vetro. Perciò possiamo concludere che
corpi aventi carica opposta si attraggono.
9.6 Principio di conservazione della carica elettrica
Il principio di conservazione della carica elettrica dice che le cariche non
possono ne crearsi ne distruggersi.
Durante lo strofinio il corpo che cede elettroni si carica positivamente e quello
che li riceve si carica negativamente, ma la somma delle cariche presenti sui due
corpi rimane uguale a quella che c'era prima di strofinarli.
Fig. 1
Fig. 2
Fig. 3
Fig. 4
Fig. 5
9.7 Elettricità
Lo strofinio coinvolge la superficie degli atomi e non i nuclei dove si trovano le
cariche positive. Perciò possiamo dire che l’elettricità è una variazione
dell’equilibrio elettrico di un corpo causata dal passaggio degli elettroni da un
corpo ad un altro.
Materiali come il vetro se strofinati con un panno tendono a cedere elettroni
perciò si caricano positivamente mentre quelli come l’ebanite se strofinati
tendono ad acquistare elettroni e si caricano negativamente.
9.8 Cariche elettrostatiche
Abbiamo visto cariche che si generano e rimangono ferme. Si definiscono
cariche elettrostatiche cariche che una volta che si sono generate rimangono
stazionarie nel tempo. L’elettrostatica è la scienza che studia questo tipo di
cariche.
9.9 Conduttori ed isolanti
Finora abbiamo visto cariche che si sono generate in corpi isolanti.
Si definiscono isolanti quei corpi in cui le cariche generate rimangono
intrappolate nel luogo in cui si sono formate.
Si definiscono conduttori elettrici quei corpi, come i metalli, in cui le
cariche si spostano liberamente e si distribuiscono alla superficie del
conduttore. (fig. 9)
9.9.1 Utilità degli isolanti
Gli isolanti sono utili ogni volta che ci dobbiamo proteggere dall’elettricità per
questo abbiamo che le forbici dell’elettricista hanno i manici rivestiti in plastica
e lo stesso avviene per i fili elettrici, gli interruttori sono in plastica e i tavoli da
stiro in legno. Nel nostro corpo scorrono moltissimi fluidi ricchi di sali perciò
siamo noi stessi dei conduttori, se stiamo lavorando in situazioni in cui c’è
elettricità è bene indossare scarpe con suola in plastica che ci isolano dal
terreno.
9.10 Elettrizzazione dei corpi
Esistono tre tipi di elettrizzazione
1. Elettrizzazione per strofinio (fig. 2)
2. Elettrizzazione per contatto (fig. 10)
3. Elettrizzazione per induzione (fig. 11 e 12)
La prima l’abbiamo vista, vediamo le altre due
9.10.1 Elettrizzazione per contatto
Prendiamo un corpo carico e avviciniamolo ad un altro elettricamente neutro
fino a farli toccare; noteremo che una parte delle cariche elettriche passa dal
corpo carico al corpo neutro che si caricherà. Si definisce elettrizzazione per
contatto l’elettrizzazione che avviene quando un corpo neutro viene toccato da
un corpo carico.
9.10.2 Elettrizzazione per induzione
Abbiamo visto che cariche di segno opposto si attraggono. Avviciniamo una
bacchetta di vetro carica positivamente a due conduttori in contatto isolati da
terra (fig. 12 a). Le cariche positive del vetro attraggo le cariche negative del
conduttore più vicino che si carica negativamente mentre l’altro si carica
positivamente (fig. 12 b). Nel complesso i due corpi hanno ancora una carica
elettrica complessiva neutra ma di fatto le cariche elettriche risultano separate
Se separo i due conduttori quando la bacchetta carica è ancora vicina avrò
ancora un conduttore carico positivamente e uno carico negativamente (fig. 12
c). Se levo la bacchetta i due conduttori rimarranno elettricamente carichi con
cariche elettriche opposte (fig. 12 e).
Si definisce elettrizzazione per induzione l’elettrizzazione di un corpo che
avviene senza che ci sia alcun contatto fra il corpo elettrizzato e quello da
caricare
9.11 L’elettroscopio
L'elettroscopio è uno strumento che ci permette di riconoscere se un corpo è
carico elettricamente (fig. 13)
Fig. 7
Fig. 8
Fig. 9
Fig. 10
Fig. 11
Fig.12
Fig. 13
Esso è costituito da un pomello metallico collegato, tramite un'asta metallica, a
due sottili lamine metalliche chiamate "foglioline". Queste ultime sono
racchiuse in un recipiente di vetro per evitare il disturbo da parte di correnti
d'aria. Toccando il pomello metallico con un corpo caricato elettricamente si
vedranno le due lamine divergere perché acquistano cariche uguali.
9.12 Corrente elettrica
I fenomeni visti fin qui appartengono sono detti fenomeni elettrostatici cioè
fenomeni in cui le cariche elettriche sono stazionarie nel tempo. Moltissimi
fenomeni sono invece legati alle cariche elettriche in moto primo fra tutti quello
della corrente elettrica (fig.14).
Noi abbiamo già visto che è possibile caricare positivamente o negativamente un
conduttore. Supponiamo di prendere due conduttori uno caricato positivamente
e uno negativamente con un filo elettrico, assisteremo immediatamente al
passaggio di elettroni dal conduttore caricato negativamente verso quello
caricato positivamente. Questo flusso prende il nome di corrente elettrica. Si
definisce corrente elettrica il moto ordinato di cariche negative all’interno di
un conduttore.
9.12.1Il verso della corrente
Anche se nei conduttori sono gli elettroni a muoversi in realtà non c’è niente che
impedisce alle cariche positive di muoversi come avviene nelle soluzioni (fig.
15). Siccome uno dei primi a fare esperimenti con la corrente elettrica è stato
Benjamin Franklin che pensava che a muoversi fossero le cariche positive è
stato deciso di considerare il verso della corrente elettrica il moto delle cariche
positive.
9.13 Potenziale elettrico
Diremo che il conduttore caricato
positivamente ha in potenziale
elettrico maggiore di quello caricato
negativamente.
Per spiegare questa situazione
possiamo ricorrere a due vasi
comunicanti collegati da un tubo, se
in uno dei due vasi il livello è più
alto si assiste al passaggio dell’acqua
dal serbatoio più pieno a quello più
vuoto. Allo stesso modo la corrente fluisce dal conduttore che ha il potenziale
più alto verso quello che ha il potenziale più basso. (fig. 16)
Il dislivello elettrico prende il nome di differenza di potenziale elettrico o
tensione. Maggiore è la differenza di tensione fra due conduttori carichi e più
sarà intenso il flusso della corrente elettrica.
9.14 Generatori elettrici
Un generatore elettrico è un dispositivo destinato a produrre energia
elettrica a partire da una diversa forma di energia. Il loro scopo è quello di
mantenere costante la differenza di potenziale esistente agli estremi di un filo
conduttore in modo da mantenere costante il flusso di corrente elettrica.
9.14.1 La pila di Alessandro Volta
La pila di Volta è costituita fondamentalmente da una colonna di più elementi
sovrapposti ciascuno dei quali consiste in un disco di zinco e ad uno di rame,
uniti attraverso uno strato intermedio di feltro o cartone imbevuto
in acqua salata o acidulata. (fig. 17). Collegando gli estremi superiore ed
inferiore della pila per mezzo di un conduttore elettrico si produce un
circuito nel quale passa corrente continua.
L'invenzione venne annunciata in una lettera rivolta a Joseph Banks, presidente
della Royal ociety di Londra, datata 20 marzo 1800, in cui lo stesso Volta ne dà
anche la prima descrizione. L’esperimento venne ripetuto nel 1801di fronte
a Napoleone Bonaparte, che in tale occasione lo insignì di una medaglia d'oro e
Fig.14
Fig. 15
Fig. 16
Fig. 17 Schema della pila
di Volta:
1. La pila di volta fu il
primo generatore di
corrente costruito
dall’uomo
un elemento della pila;
2. strato di rame;
3. contatto negativo;
4. contatto positivo;
5. feltro o cartone imbevuto
in soluzione acquosa;
6. strato di zinco
lo propose per un cospicuo premio in denaro. (Wikipedia)
9.15 Circuito elettrico
Si definisce circuito elettrico un percorso chiuso in cui circola corrente elettrica
alimentata da un generatore di corrente. (fig. 18) Il più semplice circuito
elettrico è costituito da un generatore di corrente (pila) un filo metallico
(conduttore) un interruttore e un utilizzatore (lampadina). Chiudendo
l’interruttore all’interno del circuito passa corrente elettrica e la lampadina si
accende.
Fig. 18
9.16 L’intensità di corrente elettrica
Un circuito elettrico può essere attraversato da poche cariche elettriche o da
molte cariche elettriche. Occorre caratterizzare questa nuova situazione
introducendo un nuovo concetto, dandone un nome, una definizione e
trattandosi di una grandezza anche l’unità di misura.
Si definisce intensità di corrente elettrica (i) la quantità di carica (q) che
attraversa la sezione di un conduttore nell’unità di tempo (t).
Pertanto in formule avremmo che
9.1
In un circuito si ha l’intensità di un ampere quando in esso circola la carica
di un Coulomb al secondo
La definizione precedente non è assolutamente rigorosa perché la definizione di
Coulomb deriva da quella di Ampere e non viceversa però, siccome la
definizione rigorosa di Ampere esula dai programmi di scuola media si è
preferito ricorrere all’escamotage precedente piuttosto che non dare alcuna
definizione. Per chi ha curiosità qui la definizione.
9.17 La carica
Col termine carica intendiamo il numero di cariche elettriche che attraversano
la sezione di un conduttore in un certo tempo.
La formula che riassume questo concetto deriva direttamente dalla 9.1
9.2 q = i x t
9.18 Il Coulomb
L’unità di misura della carica è il Coulomb C. Si definisce Coulomb la carica
che transita in un secondo attraverso una sezione di un circuito percorso da
una corrente continua di intensità di un ampere. Siccome la più piccola carica
elettrica è l’elettrone possiamo esprimere il Coulomb come numero di elettroni
1C = 6,25 1018 e
9.19 Differenza di potenziale elettrico
Affinché all’interno di un conduttore ci sia movimento di cariche occorre che al
suo interno esista una differenza di potenziale o tensione. Si definisce tensione
il lavoro compiuto per spostare una carica fra gli estremi del conduttore.
In formule
Si definisce Volt la tensione esistente fra i due poli di un generatore che
compie il lavoro di un Joule per trasportare la carica di un Coulomb.
9.20 La resistenza elettrica
La resistenza elettrica è una grandezza fisica che misura la tendenza di
un corpo ad opporsi al passaggio di una corrente elettrica, quando sottoposto
ad una tensione elettrica.
Questa opposizione dipende dal materiale con cui è realizzato, dalle sue
dimensioni e dalla sua temperatura.
Uno degli effetti del passaggio di corrente in un conduttore è il suo
riscaldamento (effetto Joule)(Wikipedia)
9.21 Legge di Ohm
La legge di Ohm dice che In un conduttore metallico la resistenza è
direttamente proporzionale alla tensione applicata ai suoi capi e
inversamente proporzionale all’intensità di corrente che circola nel
conduttore.
Sotto sono mostrate le formule dirette e inverse relative al fenomeno.
Si definisce Hom e si indica con la resistenza di un conduttore, attraversato
dalla corrente di 1 ampere, ai cui estremi è applicata la differenza di
potenziale di 1 volt
9.22 La pericolosità dell’elettricità
L’elettricità ha agevolato moltissimo la nostra vita basta vedere il numero di
elettrodomestici, computer, telefonini ecc. che ci circondano. Molti di questi
sono innocui utilizzando un basso voltaggio ma altri, allacciati direttamente alla
rete elettrica (220 V), sono pericolosissimi e possono provocare la morte se
utilizzati senza le dovute accortezze.
9.22.1 La scossa elettrica
La scossa è la vibrazione dei nervi motori provocata dal passaggio della
corrente nel corpo umano. Questa vibrazione provoca la contrazione dei
muscoli, che può portare all’arresto del battito del cuore e alla paralisi della
respirazione, e anche alla morte
Il contatto può essere diretto se tocchiamo un filo in tensione o indiretto se
tocchiamo un elettrodomestico difettoso (fonte Zanichelli)
9.22.2 Per evitare le scosse
1. Non tenere un apparecchio elettrico sul bordo della vasca o del
lavandino.
2. Non prendere il phone con le mani umide o con i piedi scalzi
3. Evitare di toccare la vite metallica di una lampada quando cambi la
lampadina e usare scarpe di gomma per l’operazione
4. Non avvolgere il filo attorno ad un elettrodomestico caldo
