Fenomeni elettrici

Fenomeni elettrici
Elettricità, da «electron», ambra in greco, perché questa sostanza è in
grado, se strofinata, di attrarre piccoli oggetti leggeri.
Altre sostanze, come il polietilene, l’ebanite, il plexiglass ed il vetro,
hanno la proprietà di elettrizzarsi per strofinio.
ambra
ambra
ambra
vetro
vetro
vetro
Avvicinando materiali diversi caricati
elettricamente ci si accorge che alcuni si
attraggono e alcuni si respingono: ci sono
due tipi di elettricità, quella caratteristica
del vetro e quella caratteristica dei
materiali resinosi come l’ambra.
Oggi diciamo che i corpi si caricano positivamente (come il vetro) o
negativamente (come l’ambra).
A livello microscopico diciamo che le cariche positive sono associate ai
protoni presenti nei nuclei atomici mentre quelle negative sono associate
agli elettroni che orbitano attorno ai nuclei.
La materia ordinaria è neutra, cioè all’interno di ogni atomo sono in
equilibrio cariche positive e negative. Per strofinio posso perdere elettroni,
rimanendo carico positivamente, o acquistarne diventando carico
negativamente. Atomi che hanno perduto o acquistato elettroni si dicono
ionizzati.
L’unità di misura della carica carica elettrica è il Coulomb (C)
La carica di un protone è pari a
qP  1,6  10 19 C
Quella dell’elettrone è della stessa grandezza ma negativa
qe  1,6  1019 C
1 C è corrispondente quindi alla carica di circa 6 x 1018 protoni o elettroni.
FORZA ELETTRICA TRA DUE CARICHE PUNTIFORMI
Legge di Coulomb:
k q1q2
q1q2
F 2 
2
r
4 0 r
Tale forza è attrattiva tra cariche di segno opposto e repulsiva tra cariche di
ugual segno.
La costante che appare nella legge di Coulomb vale sperimentalmente
2
N
m
k  9  109
C2
mentre la costante dielettrica del vuoto vale
 0  8,85  10 12
C2
N m2
All’interno di un materiale la costante dielettrica del vuoto è sostituita dalla
costante dielettrica del materiale ε, che è in generale maggiore di ε0.
Campo elettrico
Il campo elettrico è definito come rapporto tra la forza elettrica che
sente una carica elettrica divisa per la carica stessa
F
E
q
Come il campo gravitazionale anche quello elettrico risulta essere
conservativo, cioè il suo lavoro non dipende dal percorso ma solo dalle
posizioni iniziali e finali.
Conseguentemente è possibile definire la variazione
dell’energia potenziale elettrica di una carica, tra i punti A e B, come il lavoro
(misurato in Joule) fatto dal campo elettrico per spostare una carica da A a B
U E  U E B  U E A  LA B
e il potenziale elettrico come rapporto tra l’energia potenziale e la carica
elettrica
UE
V
q
Unità di misura: Volt
J
V 
C
Linee di forza del campo elettrico
Il campo radiale prodotto da una
carica puntiforme), (a);
il campo prodotto da una carica
positiva ed una uguale carica
negativa (b),
il campo di una carica positiva
uniformemente distribuita su una
superficie piana (c),
il campo prodotto da due superfici
piane e parallele sulle quali
è distribuita uniformemente la
stessa carica avente però segno
opposto (d).
ISOLANTI E CONDUTTORI
Ogni sostanza è costituita da atomi che contengono cariche sia positive
che negative. In condizioni ordinarie il materiale risulta globalmente neutro.
Se siamo all’interno della materia, si distinguono due tipi di materiali
 Gli isolanti o dielettrici in cui le cariche non sono libere di muoversi (ad
es. vetro ed ambra)
 I conduttori in cui almeno una parte delle cariche elettriche presenti
possono muoversi (nei metalli gli elettroni dei livelli energetici esterni degli
atomi del reticolo cristallino, nelle soluzioni elettrolitiche gli ioni sia positivi
che negativi delle sostanze disciolte)
Un corpo può essere elettrizzato per strofinio, per contatto (ponendolo a
contatto con un altro corpo carico) o per induzione, cioè avvicinando un
corpo carico che induce la separazione delle cariche elettriche di segno
diverso già presenti nel corpo neutro.
Separazione delle
cariche
+++++++++
Corpo carico + + + + + + + + +
+++++++++
attrazione
----- +++++
- - - - - + + + + + Corpo neutro
----- +++++
CORRENTE ELETTRICA
In un campo elettrico le cariche elettriche presenti vengono accelerate.
Se però non ci troviamo nel vuoto ma all’interno di un materiale, le cariche
elettriche (elettroni) subiscono anche continui urti con gli atomi del materiale e
finiscono per muoversi con una velocità mediamente costante chiamata
velocità di deriva, che in generale è molto piccola.
Quello che si muove velocemente, alla velocità della luce, è il campo elettrico
e quindi la propagazione del movimento a tutti gli elettroni che possono
muoversi (elettroni di conduzione)
Si definisce intensità di corrente elettrica che attraversa la sezione di un
conduttore il rapporto tra la quantità di carica che attraversa il conduttore nel
tempo  t ed il tempo  t stesso.
q
I
t
Unità di misura: Ampère
C
A
s
Leggi di Ohm
Nei metalli i portatori di carica, gli elettroni, si muovono seguendo le
leggi di Ohm.
La corrente elettrica che attraversa un conduttore risulta proporzionale
alla differenza di potenziale ai capi del conduttore stesso
I leggedi Ohm : V  R I
La costante di proporzionalità R si chiama resistenza e si misura in
Ohm
.
V

A
Tale resistenza è tanto maggiore quanto maggiore è la lunghezza L del conduttore
e tanto minore quanto maggiore è la sua sezione S. Dipende inoltre dal materiale
tramite la resistività  che è caratteristica del materiale stesso.
II leggedi Ohm : R 
L
S
Conduttori elettrolitici
Nel caso dei conduttori elettrolitici i portatori di carica sono gli ioni dei Sali
disciolti in soluzioni acquose. In questo caso la presenza dei portatori di
carica dipende dalla concentrazione della soluzione e dal grado della
dissociazione ionica del soluto
NaCl
Na +
Cl -
Contrariamente a quello che succede nei metalli il passaggio di corrente
coinvolge il trasporto di materia in quanto si muovono interi atomi (ionizzati)
Negli organismi viventi il trasporto di sostanze attraverso una membrana
avviene anche utilizzando la differenza di potenziale elettrico che si forma
grazie alle differenti concentrazioni di ioni all’interno ed all’esterno della
membrana
Dissipazione termica (effetto Joule)
La dissipazione termica in un conduttore percorso da corrente elettrica
corrisponde al lavoro fatto dalle forze del campo per accelerare
ripetutamente le particelle cariche. L’energia cinetica acquisita da queste si
dissipa tramite urti e viene misurata a livello macroscopico come una
quantità di calore prodotta dal passaggio di corrente (effetto Joule).
La quantità di energia dissipata è proporzionale alla quantità di carica che
attraversa il conduttore ed alla differenza di potenziale attraversata
Q  qV  I t V  R I 2 t
La potenza dissipata è pari al lavoro fatto nell’unità di tempo ed è quindi
RI 2 t
W
 RI 2
t
Unità di misura: Watt
J
W
s
Potenziale bioelettrico
A partire dagli studi condotti sull’elettricità animale (1791) da Galvani, seguiti
dalla scoperta della pila da parte di Volta, fu possibile stabilire la natura
elettrica della funzione nervosa e misurare le correnti bioelettriche mediante
l’impiego di galvanometri.
Oggi si conoscono la natura dei potenziali bioelettrici ed i meccanismi di
conduzione degli impulsi bioelettrici attraverso le fibre cellulari
Il cuore risulta costituito da due tipi di fibrocellule muscolari: la maggior parte
del tessuto miocardico ha solo funzione contrattile ma il tessuto specifico del
miocardioè costituito da cellule che sono in grado sia di generare che di
condurre impulso elettrici. La ritmica contrazione del muscolo cardiaco è
prodotta da una differenza di potenziale elettrico presente tra l’interno e
l’esterno della membrana della fibrocellula. Tale differenza di potenziale
(pari a circa 90 mV) è prodotta da diverse concentrazioni di ioni Na+, Ca++,
Cl-, ma in particolare di ioni potassio K+, ai due lati della membrana.
Dopo una scarica è necessario un certo intervallo di tempo perché si ricrei la
differenza di potenziale e questo da il ritmo al cuore.
Defibrillazione elettrica
Nel caso in cui la normale successione di diastoli e sistoli ventricolari venga
sostituita da una attività elettrica continua ed anarchica caratterizzata da
oscillazioni irregolari si parla di fibrillazione ventricolare. Sua conseguenza è
l’arresto completo della circolazione sanguigna e, nel caso in cui l’aritmia si
protragga, la morte quasi istantanea.
In questi casi è necessario l’uso di un defibrillatore elettrico che,
somministrando una scarica elettrica tramite due elettrodi applicati sul torace
del paziente permette di depolarizzare rapidamente e simultaneamente le
fibre cardiache. Nell’ottanta per cento dei casi il defibrillatore riesce a
riportare alla normalità i ritmi cardiaci.
Pace-maker (segna passo)
In condizioni normali il ritmo cardiaco è regolato dal nodo seno-atriale una
piccola formazione localizzata sulla parte superiore dell’atrio destro, vicino
alla vena cava superiore che funge da pace-maker naturale.
Quando, per un’alterazione del nodo seno-atriale o un’interruzione nella rete
di conduzione degli stimoli naturali, i ventricoli non sono in grado di
assicurare la normale richiesta di sangue, si deve ricorrere agli
elettrostimolatori (pace-maker) che producono una stimolazione cardiaca
artificiale.
Un pace-maker è generalmente costituito da un dispositivo elettronico di
modeste dimensioni collegato ad un elettrocatetere. Attraverso una vena
l’elettrocatetere viene introdotto nel cuore e fissato direttamente sul muscolo
cardiaco. Il generatore, sistemato sotto la pelle, contiene una sorgente di
energia che può essere una pila a ioduro di litio oppure una batteria
radioisotopica (molto usate le pile al Plutonio 238).
A partire dal 1958, anno della prima applicazione di un pace-maker i
progressi raggiunti hanno reso disponibili elettrostimolatori adatti alle più
diverse esigenze.
Effetti biologici delle correnti elettriche
Accanto agli effetti guidati e controllati delle correnti elettriche vi sono quelli
nocivi che si producono quando il corpo ne viene percorso.
Tali effetti possono essere, in ordine di crescente gravità:
 sensazione di dolore
 ustioni
 fibrillazione ventricolare
 lesioni della retina e dell’organo del Corti (orecchio interno)
 lesioni permanenti del cervello
 morte per collasso cardio-respiratorio
Tali effetti dipendono dall’intensità della corrente e dalla sua frequenza.
Tali fattori sono influenzati dalla resistenza del corpo umano, dalla resistenza
delle superfici di contatto, dallo stato bagnato delle superfici corporee esterne e
dalla differenza di potenziale cui si è sottoposti.
Anche la durata della corrente elettrica è importante.
Alla frequenza di 50 Hz (frequenza di rete) una corrente di 1 mA non produce
effetti significativi. Con correnti di 10 mA si hanno contrazioni muscolari e paralisi.
Con 100 mA si provoca la fibrillazione ventricolare, durante la quale viene
interrotto il trasporto di ossigeno al cervello che potrà subire danni permanenti se
il processo dura oltre i due o tre minuti.