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LA CONDUZIONE
ELETTRICA
I Meccanismi Della Conduzione,
Soluzioni, Gas,
Carica Elementare
Per eventuali approfondimenti o chiarimenti contattare
la Prof.ssa Laura Farci – [email protected]
Conduttori Elettrolitici
•
•
•
•
•
Voltametro
Acqua distillata
Zucchero
Sale
La soluzione acqua-sale è
conduttrice
• NaCl, CuSO4, HCl, H2SO4,
NaOH
Elettrodi
metallici
Anodo
Catodo
+
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Conduttori Elettrolitici
• I sali, gli acidi e le basi si chiamano
“elettroliti” e le loro soluzioni in acqua
“soluzioni elettrolitiche”
• L’acqua comune contiene
molti sali disciolti e per
questo è molto conduttrice
• Faraday (1833)
+
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L’elettrolisi E Le Leggi Di Faraday
• Il moto degli ioni in un voltametro in cui
sono immersi due elettrodi metallici
collegati a una batteria è detto
“elettrolisi”
• Quando gli ioni arrivano
sugli elettrodi cedono a
questi la loro carica
diventando neutri e reagendo chimicamente
++Cl-H
H
+Cl
+
H
Cl--+Cl
H
H
Cl
+
+
H++Cl
Cl---H
H
Cl
+
H
Cl--+
H
++Cl
H
H
Cl
H Cl
Cl-
+
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L’elettrolisi E Le Leggi Di Faraday
• Faraday misurò quantitativamente le
sostanze che nell’elettrolisi si sviluppano
o si depositano negli elettrodi
• 1a Legge di Faraday:
– La massa di sostanza che si deposita a un
elettrodo è direttamente proporzionale alla
quantità di carica elettrica che passa nel
voltametro
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L’elettrolisi E Le Leggi Di Faraday
• 2a Legge di Faraday:
– In più voltametri contenti elettroliti diversi
e connessi in serie in modo che siano
attraversati dalla stessa quantità di carica
elettrica, le masse delle sostanze che si
depositano agli elettrodi sono direttamente
proporzionali agli equivalenti chimici
• Equivalente chimico = M/Z
• Grammo-equivalente = M/Z g
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(H  1.008)
(H  1.008 g)
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L’elettrolisi E Le Leggi Di Faraday
• Le masse di Cl, H, Cu e Ag che si depositano agli elettrodi stanno fra loro come i
numeri 35.457 : 1.008 : 31.77 : 107.88
35.457

 35.457
 Cl :
1

 Cu : 63.54  31.77
2

1.008

 1.008 
1

107.88
Ag :
 107.88 
1

H:
A
HCl
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CuSO4
AgNO3
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L’elettrolisi E Le Leggi Di Faraday
• È possibile ricavare una formula che
compendia entrambe le leggi
A
M  nm
q m N
A q
M m

 M  

Ze
Z Ne
q  nZe
• Con questa formula è possibile calcolare
la massa M di una sostanza che si
deposita su un elettrodo per elettrolisi
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Ioni E Carica Elettrica Elementare
•
•
•
•
Atomo:
nucleo + elettroni
Nucleo:
carica elettrica positiva
Elettroni: carica elettrica negativa
La carica elettrica non può assumere
valori qualunque ma solo multipli interi
relativi di una carica unitaria
• La carica unitaria è quella dell’elettrone
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Ioni E Carica Elettrica Elementare
• Se Z è il numero degli elettroni in un atomo
allora la loro carica complessiva è:
 Ze
• Siccome la carica dell’atomo è nulla allora la
carica del nucleo è:
 Ze
• Quando un atomo perde un elettrone o ne
acquista uno in più la sua carica complessiva
non è più nulla e prende il nome di ione
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La Conduzione Elettrolitica
E La Legge Di Ohm
• La conduzione elettrolitica dipende dalla
quantità di elettrolita disciolto, dalla
superficie degli elettrodi immersi e dalla
loro distanza
• In particolare è maggiore con l’aumentare della superficie degli elettrodi
immersi ed è minore con l’aumentare
della loro distanza
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La Conduzione Elettrolitica
E La Legge Di Ohm
• Gli esperimenti dimostrano che la
conduzione elettrolitica segue la legge
di Ohm come nei conduttori metallici a
patto che gli elettrodi siano dello stesso
tipo e che le condizioni siano tali per cui
il passaggio di corrente non alteri la
costituzione chimica
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La Pila
• Oggi il termine pila indica un generatore
di f.e.m. costante trae origine dalla
disposizione a pila del generatore
scoperto da Volta
• Esso è costituito da coppie
di dischi di Cu e Zn
alternati da una pezzuola
imbevuta di una soluzione
elettrolitica
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A
La Pila
Cu
• Elemento voltaico
-
I
+
Cu
Zn
H2SO4
• La d.d.p. tra Cu e Zn a circuito aperto è
detta “f.e.m. della pila”
• Essa è data dalla somma delle d.d.p. che
si hanno ai contatti Zn-Cu, Zn-soluzione
e soluzione-Cu
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L’Effetto Termoelettrico
• Consideriamo due giunzioni Fe-Cu mantenute a due temperature diverse t1 e t2
• Inserendo un amperometro nella catena
questo rivela il passaggio di corrente
• La corrente attraversa la giunzione a
temperatura maggiore
maggiorenel nel
verso che va dal rame al
ferro
t1
Fe
Cu
t2
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L’Effetto Termoelettrico
• Effetto Seeback: t  100C  V  0.86mV
• Le d.d.p. che producono le due giunzioni
non sono uguali poiché i potenziali di
estrazione dipendono dalla temperatura
• Gli elettroni che attraversano la giunzione a temperatura maggiore ricevono
un’energia sufficiente per compensare la
perdita dovuta all’effetto Joule
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L’esperimento Di Millikan
• 1910: misura della carica del singolo
elettrone
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L’esperimento Di Millikan
•
•
•
•
•
•


  
P  mg
E 0 


F

b
v
 a
 

P  Fa  ma
Per la seconda legge di Newton:
P  Fa  ma
Proiettando sugli assi:
All’aumentare di “a” aumenta anche “Fa”
Fa  P  P  Fa  0
A un certo punto:
Da quel momento il moto è rettilineo
uniforme con velocità v0 e, dalla relazione che definisce la forza di attrito, si
mg
può ricavare b :
mg  bv0  0  b 
v0
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L’esperimento Di Millikan
• Collegando adesso le due lastre piane a
un generatore, alle precedenti
si
aggiun

 


ge una nuova forza: F  qE  P  Fa  qE  ma
• All’inizio, quando il moto è uniformemenP  Fa  qE  ma
te accelerato:
• Quando poi il moto diventa rettilineo
mg  bvE  qE  0
uniforme:
• La carica dell’elettrone è quindi data
mg
vE
da:questo
vE  mg
1
q
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v
bvE  mg
 0
E
E
 mg
v0
E

mg vE  v0
E
v0
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Metalli, Isolanti e Semiconduttori
• Nei metalli la conduzione è data dagli
elettroni liberi, in media uno per ogni
atomo (1022 elettroni per cm3)
• Negli isolanti nessun atomo è ionizzato
in condizioni normali; solo l’applicazione
di un campo elettrico molto intenso può
produrre qualche elettrone di conduzione ionizzando un ugual numero di atomi
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Metalli, Isolanti e Semiconduttori
• La conducibilità nei metalli è dovuta in
gran parte al moto ordinato (per effetto
di un campo elettrico esterno) degli
elettroni di conduzione ostacolati delle
vibrazioni degli ioni del reticolo
cristallino
-
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+
+
+ +
+
+
+
+ +
+
+
+ +
+
+
+
+ +
+
+
+ +
+
+
+
+ +
+
+
+ +
+
+
+
+ +
+
+
+
+
+
+
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Metalli, Isolanti e Semiconduttori
• I semiconduttori hanno un comportamento intermedio
• A basse temperature la conducibilità è
bassa come per gli isolanti
• A temperatura ambiente si hanno 1011
elettroni di conduzione per cm3
• I semiconduttori per eccellenza sono il
Silicio e il Germanio
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Metalli, Isolanti e Semiconduttori
• Nei semiconduttori la conduzione è
dovuta non solo agli elettroni di
conduzione ma anche al movimento di
cariche elettriche positive
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
E
+ + + + + + + + + + + + +
+
+
+
+
+
+
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La Scarica Nei Gas A Pressione Normale
• In condizioni normali un gas è neutro e
quindi non può condurre l’elettricità,
comportandosi da isolante perfetto
• L’aria atmosferica però conduce l’elettricità, anche se debolmente
• Nell’aria ci sono particelle cariche il cui
numero aumenta in presenza di
particolari agenti detti agenti ionizzanti
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La Scarica Nei Gas A Pressione Normale
l’aria
è secca
non si
• Se tra
tra leledue
duepiastre
piastre
l’aria
è
osserva
passaggio
di passaggio
corrente
secca
non
si osserva
• Se ionizziamo l’aria irraggiandola con raggi X lo strumento
segnala il passaggio di corrente
+
+
+
+
+
--
i
A
V
iS
A
B
 Ne
N  nSh i
 is  nShe
vS
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vi
v
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-
+
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La Scarica Nei Gas Rarefatti
•
•
•
La d.d.p.
d.d.p.è èdi di
qualche
qualche
migliaio di volt
migliaio
di voltatmosferica (760 torr) si
A pressione
A
hanno solo pressione
scariche rumorose con
atmosferica
(760 torr)
piccole correnti
• si
A 50 torr scariche più frequenti e
silenziose
V
• A 10 torr avviene una
scarica con una sola +
Tubo di
colonna violacea
estrazione
dell’aria
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