Elettricità
Le proprietà elettriche della materia determinano forze di attrazione e di repulsione. Tali proprietà,
raggruppate sotto il nome di elettricità, sono utilizzate nella vita di tutti i giorni, per esempio per far
muovere apparecchiature (ventilatori, frullatori, rasoi elettrici, ecc.), per illuminare o riscaldare ambienti
(lampadine, stufe, ecc.) e per molti altri scopi.
Quando mettiamo in moto elettricamente un attrezzo trasformiamo energia elettrica in lavoro;
quando illuminiamo una stanza si trasforma energia elettrica in energia luminosa; quando riscaldiamo un
ambiente l'energia elettrica è trasformata in calore, ecc.
Cerchiamo le origini di questa energia elettrica, cominciando a studiare le forze elettriche o
elettrostatiche.
ELETTRIZZAZIONE
1) Elettrizzazione per strofinio
Se strofiniamo una penna con un panno di lana si può notare che la penna acquista la capacità di
attrarre corpuscoli molto leggeri (per esempio dei pezzettini di carta). La stessa cosa avviene strofinando un
pezzo di pellicola trasparente per alimenti, un oggetto di ambra o di ebanite, una bacchetta di gomma o di
plastica. Si dice che tali corpi sono stati elettrizzati per strofinio.
Un modo molto efficace per notare se un oggetto è elettrizzato è quello di appendere un pezzettino di
sughero o di legno molto leggero a un filo di seta e avvicinare a esso l'oggetto elettrizzato. In questo modo si
può vedere che anche i materiali vetrosi (vetro, porcellana) strofinati con una pezza di seta, si elettrizzano
(per il vetro l’effetto è difficile da osservare).
Attrazione tra una bacchetta di plastica elettrizzata
e un pezzetto di legno appeso a un filo di seta
Elettrizzazione positiva (o vetrosa) e elettrizzazione negativa (o resinosa)
Adesso supponiamo di elettrizzare per strofinio una striscia di pellicola trasparente per alimenti e poi
una penna. Tenendo la striscia trasparente sospesa da un'estremità avviciniamogli la penna senza metterli in
contatto: noteremo che la striscia sarà respinta dalla penna.
Strofiniamo nuovamente la striscia di pellicola. Stavolta avviciniamogli una bacchetta di vetro,
elettrizzata strofinandola con della seta. Noteremo in questo caso una leggera attrazione tra la pellicola di
plastica trasparente e la bacchetta di vetro.
Tutto ciò significa che esistono due tipi di elettrizzazione: quella resinosa (tipica della plastica,
gomma, ambra, ebanite,…) e quella vetrosa (vetro, porcellana,...). Si può anche dire che questi corpi
elettrizzati hanno acquistato carica elettrica. Nel caso dell'elettrizzazione resinosa si dice che si tratta di
carica negativa, mentre nel caso di elettrizzazione vetrosa si parla di carica positiva.
1
Gli oggetti che sono elettrizzati con cariche dello stesso tipo (o segno) si respingono. Quelli
elettrizzati con cariche di segno opposto si attraggono.
Oggi è noto che anche nelle parti più piccole di cui sono costituiti gli elementi, cioè negli atomi, vi
sono sia cariche positive (i protoni dei nuclei atomici) che cariche negative (gli elettroni che si muovono
negli orbitali intorno al nucleo). Mediamente la carica positiva eguaglia quella negativa, e quindi i corpi sono
generalmente neutri, cioè con carica totale nulla. Però, con certi sistemi, come per esempio strofinando, si
può creare un eccesso di cariche positive o negative negli oggetti, o in parti di essi. E' così che gli oggetti si
elettrizzano. Per esempio, per strofinio si trasferiscono elettroni dalla lana alla plastica, e quindi la plastica si
carica negativamente.
2) Elettrizzazione per contatto
Tocchiamo con le dita il pezzetto di legno appeso al filo di seta, in modo da scaricarlo,
nell'eventualità in cui fosse elettrizzato. Avviciniamo al pezzetto di legno una penna elettrizzata per strofinio.
Il pezzetto di legno, essendo un corpo leggero, viene attratto, come succedeva con i pezzetti di carta. Se però
mettiamo in contatto il pezzetto di legno con la penna, dopo il contatto esso sarà respinto. Questo avviene
perché una parte delle cariche (negative) della penna sono passate, per contatto, al legnetto. Adesso, essendo
i due copri dotati di carica dello stesso segno essi si respingono. Questo tipo di elettrizzazione è detta per
contatto.
3) L'elettroscopio a foglie e l'elettrizzazione per induzione
L'elettroscopio a foglie è costituito da due lamine metalliche leggerissime (un tempo si utilizzavano
foglie di oro) sovrapposte e sospese verticalmente a una estremità di un'asta di metallo. L'altra estremità
dell'asta è a forma di sfera e il tutto è sorretto da un supporto (di vetro) chiuso per evitare che le foglie siano
mosse da correnti d'aria.
La presenza di un corpo elettrizzato in vicinanza della sfera dell'elettroscopio fa divaricare le foglie.
Questo avviene perché le lamine acquistano entrambe cariche dello stesso segno. Ciò è dovuto al fatto che
avvicinando, per esempio, un oggetto carico negativamente, gli elettroni (negativi) dell'elettroscopio sono
respinti dall'oggetto e si concentrano nella zona in cui ci sono le foglie metalliche. Queste, avendo acquistato
cariche dello stesso si segno si respingono tra loro. Nel caso in cui alla sfera dell'elettroscopio viene
avvicinato un corpo carico positivamente gli elettroni dell'elettroscopio migrano verso l'estremità sferica e le
foglie rimangono entrambe con un eccesso di carica positiva; anche in questo caso, avendo la stessa carica, le
lamine si respingono e si divaricano.
Questo tipo di elettrizzazione è detta elettrizzazione per induzione.
Elettroscopio a foglie.
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LA CORRENTE ELETTRICA
Conduttori e isolanti
L'elettrizzazione per induzione dell'elettroscopio avviene perché l'asta è fatta di metallo, che
permette la migrazione delle cariche. Un materiale in cui le cariche si possono muovere facilmente è
chiamato conduttore di elettricità (o di corrente). In caso contrario, cioè quando le cariche non si possono
muovere da una parte all'altra del corpo, si hanno materiali isolanti. I metalli sono buoni conduttori di
elettricità. Infatti, ad esempio i fili elettrici sono fatti di rame che, insieme all'argento, è uno dei migliori
conduttori di elettricità. Il legno, la gomma, la plastica, il vetro, la ceramica sono invece esempi di materiali
che sono dei cattivi conduttori, cioè che sono isolanti elettrici. Una curiosità da notare è che, generalmente,
i buoni conduttori di elettricità sono anche buoni conduttori di calore.
I fili della corrente vengono rivestiti di plastica o gomma per evitare che toccandoli si possa prendere
la scossa. Questa corrisponderebbe al passaggio di una grande quantità di cariche elettriche (elettroni) dal
filo al nostro corpo.
Per evitare che la corrente elettrica trasportata dai fili passi ai pali e si disperda a terra, i fili sono
tenuti da oggetti di vetro o porcellana (spesso di colore bianco) che fungono da isolanti, oppure si utilizzano
pali di legno.
Differenza di potenziale elettrico
Per capire il concetto di differenza di potenziale, consideriamo un corpo sospeso a una certa altezza.
Come sappiamo esso è dotato di una certa energia potenziale gravitazionale, perché la forza peso del corpo
(forza di gravità) è capace di compiere un lavoro uguale alla energia potenziale. Si può anche dire che può
essere compiuto un lavoro corrispondente alla differenza di potenziale (d.d.p.) (o differenza di energia
potenziale) tra il punto in cui l'oggetto si trova sospeso e il suolo
Nel caso precedente è la forza di gravità a determinare la differenza di energia potenziale.
Nel caso delle cariche elettriche, è la forza elettrica ad agire su di esse (per esempio facendo attrarre
cariche positive con cariche negative), anziché la forza gravitazionale. La differenza di potenziale che
permette il moto delle cariche elettriche (per esempio attraverso un filo di rame o attraverso l'asta
dell'elettroscopio) è chiamata differenza di potenziale elettrico. Analogamente al caso della caduta di un
corpo, anche durante il movimento delle cariche tra un punto a potenziale più alto e un punto a potenziale più
basso è compiuto lavoro.
Dunque, affinché avvenga il movimento di cariche è necessario avere una d.d.p. elettrica. Per
esempio, per far circolare delle cariche, cioè dell'elettricità, in un filo è necessario che tra gli estremi del filo
ci sia un generatore di d.d.p.
Una pila è un esempio di generatore di d.d.p. Essa permette il passaggio della corrente elettrica. E' la
corrente elettrica che ci permette di accendere una lampadina.
La differenza di potenziale si misura in volt (V). Maggiore è il numero di volt (o “voltaggio” o
“tensione”)) maggiore è il lavoro che la corrente può compiere.
Le normali pile cilindriche forniscono ciascuna una d.d.p. di 1,5 V. Le pile piatte forniscono 4,5 V.
La corrente delle nostre case è a 220 V.
Intensità di corrente
Così come l'acqua scorre attraverso un tubo dai punti più in alto ai punti più in basso, analogamente
la corrente elettrica è un flusso di cariche che passano attraverso un conduttore andando dal polo positivo
del generatore (potenziale elettrico maggiore) al polo negativo (potenziale elettrico minore). Questo flusso,
dal polo positivo al polo negativo, stabilisce il verso di circolazione della corrente elettrica, come se si
trattasse di cariche positive in movimento, attratte dal polo negativo. Nella realtà, sono gli elettroni (negativi)
le uniche cariche che possono muoversi in un filo conduttore solido (per esempio in un cavo di rame), ed essi
circolano in senso opposto, cioè dal polo negativo al polo positivo.
La quantità di carica che passa in ogni secondo attraverso una certa sezione di un conduttore è
l'intensità di corrente. L'intensità di corrente si misura in ampere (1 A = 1 coulomb al secondo).
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Il passaggio di corrente.
La resistenza elettrica
Abbiamo detto che la corrente elettrica in un filo consiste in un flusso di elettroni. Questo flusso
avviene a causa della d.d.p. creata da un generatore (per esempio una pila).
Il movimento di ogni elettrone è in realtà molto disordinato perché l'elettrone si muove tra gli atomi
del reticolo cristallino. Gli urti, la tendenza degli elettroni a rimanere intorno ai nuclei e l'agitazione termica,
rallentano questo flusso di elettroni. La resistenza elettrica è la diminuzione del flusso di cariche elettriche.
Nei corpi che sono conduttori di elettricità, le cariche riescono a spostarsi da un punto all'altro
piuttosto facilmente. Quindi la resistenza è piccola. Nei corpi che sono cattivi conduttori di elettricità (o
isolanti) gli elettroni si spostano con molta difficoltà, e quindi solo con grandi d.d.p. si può ottenere un buon
flusso di cariche, cioè una buona intensità di corrente elettrica.
La resistenza elettrica si misura in ohm (). Un tratto di circuito elettrico dotato di una certa
resistenza si indica con il simbolo:
Prima legge di Ohm
Consideriamo un tratto di filo. Supponiamo che tra i suoi estremi vi sia una certa d.d.p. che
indicheremo con V. Questa d.d.p. tende a far muovere le cariche elettriche attraverso il filo, cioè a far
circolare una certa intensità di corrente i. Maggiore è la d.d.p. tra gli estremi del filo e maggiore sarà il
numero di cariche elettriche che passano in un certo tempo (cioè maggiore risulterà l'intensità di corrente).
Nei conduttori metallici mantenuti a temperatura costante, al raddoppiare di V raddoppia i, cioè V ed i sono
direttamente proporzionali.
V
Un circuito con una resistenza elettrica rappresentata da una lampadina.
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Quindi, il loro rapporto è costante. La costante di proporzionalità è il valore della resistenza R, cioè:
V
R
i
(R = costante)
Se si mantiene costante la d.d.p. V, raddoppiando la resistenza R si dimezza l’intensità di corrente i, cioè
i ed R sono inversamente proporzionali: in questo caso il loro prodotto è costante (R · i = V , con V costante).
Questi fatti sono riassunti nella prima legge di Ohm:
la d.d.p. V agli estremi di un filo conduttore è direttamente proporzionale all'intensità di corrente i; invece,
mantenendo costante la V, l’intensità i è inversamente proporzionale alla resistenza R:
V=R·i
Seconda legge di Ohm
La resistenza R dipende innanzitutto dal tipo di materiale, cioè dal fatto che si utilizzino buoni
conduttori (resistenza molto piccola) o cattivi conduttori (resistenza molto grande).
Inoltre, la resistenza di un tratto di circuito è minore se il filo è più grosso, cioè se la l'area S della
sezione è maggiore, perché così è più facile avere un buon flusso di elettroni. Al contrario, data una certa
sezione S del filo, la resistenza aumenta se il filo è più lungo, perché saranno maggiori gli ostacoli al
passaggio degli elettroni.
Indicando con S l'area della sezione del filo, e con l la sua lunghezza, quello che abbiamo detto si
riassume nella seconda legge di Ohm:
la resistenza di un filo conduttore è direttamente proporzionale alla sua lunghezza e inversamente
proporzionale alla sua sezione:
R
l
S
dove (“rho”) è la costante di proporzionalità, il cui valore dipende dal materiale di cui è fatto il conduttore.
è chiamata resistenza specifica (o resistività) del materiale. Il rame, che è un ottimo conduttore, ha una
resistività molto più bassa di quella della grafite, che è un conduttore piuttosto cattivo.
Sezione e lunghezza di un tratto di circuito.
Lampadina ed effetto joule
Una lampadina altro non è che un contenitore di vetro, in cui c'è il vuoto (o un gas inerte), e un filo
di tungsteno (filamento), che è un materiale ad elevata resistività. Il filamento è molto sottile, e inoltre è
attorcigliato in modo da essere molto lungo. In questo modo, per la seconda legge di Ohm il filamento avrà
una resistenza molto alta. Ciò significa che il passaggio di cariche attraverso il filamento è reso molto
difficoltoso. La conseguenza di ciò è che a causa degli urti e del moto disordinato delle cariche la
temperatura del filo aumenta: le cariche, rallentando, perdono energia cinetica che si trasforma in energia
termica del filamento. Questo effetto, per cui l'elevata resistenza fa crescere la temperatura del tratto di
circuito, è chiamato effetto Joule. Un corpo ad elevata temperatura diventa incandescente, cioè emette luce.
In definitiva una parte dell'energia cinetica delle cariche elettriche è dissipata in calore e luce. E' su questo
principio che funzionano le lampadine e le stufe elettriche.
L'energia dissipata per effetto Joule in luce e calore nell'unità di tempo (cioè la potenza) è data dalla
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formula:
P=V i
oppure, se vale la 1^ Legge di Ohm
P=R i2
Ricordiamo che la potenza si misura in watt (W). Quindi, i watt di una lampadina rappresentano la potenza
dell'energia termica e luminosa della lampadina.
Componenti di circuito e circuiti elettronici
Un circuito elettrico è costituito da conduttori, resistenze e generatori raccordati in modo tale che si
possa avere il passaggio di corrente elettrica.
Altri componenti di un circuito sono i condensatori e i diodi. Essi sono realizzati in modo tale da
determinare il passaggio di corrente solo in condizioni particolari, o di produrre correnti variabili. Quando
questi componenti sono introdotti in grande quantità per scopi complessi (radio, televisioni, altoparlanti, etc.)
si parla più appropriatamente di circuiti elettronici.
Nei circuiti elettronici, alle vecchie valvole (diodi, triodi, etc.) sono stati da tempo sostituiti i
transistor e i circuiti integrati, componenti elettronici equivalenti a grandi quantità di componenti
elementari (diodi, triodi, etc.) resi possibili grazie alle moderne tecnologie di miniaturizzazione. Senza di
esse un walkman avrebbe le dimensioni di un armadietto.
Circuito aperto e chiuso
Affinché si abbia il passaggio di corrente elettrica è necessario che il circuito sia “chiuso”.
L’”apertura” del circuito consiste nella presenza di uno spazio tra due tratti di conduttori. Attraverso questo
spazio non è possibile (in normali condizioni) il moto degli elettroni (resistenza infinita), e quindi non si ha
passaggio di corrente. Un sistema che interrompe un circuito ma che può richiuderlo, è chiamato
interruttore.
Per evidenziare il passaggio di corrente si può inserire nel tratto di circuito interessato una lampadina
oppure un opportuno strumento di misura di intensità di corrente (amperometro).
Scintilla
In alcuni casi, attraverso lo spazio che interrompe un circuito si può verificare una scintilla. Essa
consiste in certe manifestazioni luminose e sonore associate a un intenso e improvviso passaggio di cariche
elettriche (in aria si tratta perlopiù di soli elettroni) tra i due tratti di circuito. Ciò può essere possibile se la
differenza di potenziale tra i due tratti di circuito è molto elevata e l’aria è umida. In tal caso, se i tratti di
circuito sono molto vicini l’aria può condurre corrente. I fenomeni di eccitazione e ionizzazione degli atomi
interposti tra i due conduttori danno luogo all’emissione di luce e di suoni. Questi fenomeni terminano
nell’istante in cui ai due tratti di circuito si siano accumulate cariche di segno opposto in quantità tale da
compensare la d.d.p. responsabile della scarica.
Collegamento di generatori in serie.
Per ottenere una elevata d.d.p. si può:
- utilizzare un generatore di elevata d.d.p.
- collegare in serie i vari generatori.
Nel secondo caso la d.d.p. totale è data dalla somma delle d.d.p. dei generatori utilizzati.
Per collegare in serie dei generatori basta collegare il polo positivo (+) del primo generatore al polo
negativo (-) del secondo, quello positivo del secondo a quello negativo del terzo, e così via, come indicato
nella seguente figura nel caso del collegamento di pile:
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Pile collegate in serie.
Resistenze in serie
Mettendo dei tratti di filo di diversa resistenza uno dopo l'altro la resistenza totale R aumenta.
Precisamente se indiciamo con R1, R2, … le resistenze collegate in serie, si ha che la resistenza totale
(detta “resistenza equivalente”) è:
R = R1 + R2 + …
Resistenze in parallelo
Collegando invece gli estremi di varie resistenze allo stesso polo di un generatore e gli estremi
opposti all’altro polo, si ottiene un collegamento in parallelo.
In tal caso, la resistenza totale risulta minore della minima resistenza presente nel circuito, ed essa si
calcola a partire dalla formula:
1
1
1
...
R R1 R2
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Energia, ambiente, società
Energia e società
Lo sviluppo della civiltà è sempre stato associato all’impiego dell’energia, cioè a quella “cosa”
immateriale che è la capacità a compiere lavoro: è necessaria energia per il trasporto, per costruire, per
riscaldare, per illuminare, ecc.
In natura l’energia si trova sotto varie forme. Da una parte è necessario realizzare dei sistemi che
permettano di estrarla (per esempio un mulino a vento permette di estrarre l’energia cinetica del vento).
Dall’altra, è necessario trasformare l’energia nelle forme più utili (per esempio il calore della caldaia di un
treno a vapore doveva essere trasformato in energia cinetica del treno).
Entrambi questi aspetti, estrazione e trasformazione, richiedono lo sviluppo di tecniche che possono
essere anche molto elaborate e complesse.
Il primo principio della termodinamica, che è una forma del principio di conservazione
dell’energia, ci assicura che l’energia non si può perdere, ma purtroppo nemmeno può essere creata dal nulla.
L’energia può essere trasformata da una forma all’altra.
D’altra parte il secondo principio della termodinamica afferma che non è possibile realizzare una
macchina termica in grado di trasformare tutto il calore di una caldaia in lavoro meccanico: una parte rimarrà
calore, per esempio a causa degli attriti, o se ne andrà in altre forme di energia.
L’uomo ha il conforto del primo principio della termodinamica, ma nei processi di trasformazione
dell’energia deve sempre lottare con il secondo principio per limitare al massimo le dissipazioni. L’attrito è
solo un esempio di queste dissipazioni. La resistenza elettrica (che poi è sempre dovuta a una forma di attrito
che si oppone al movimento delle cariche elettriche) è un altro esempio: se non esistesse resistenza elettrica
nei fili, tutta l’energia prodotta in una centrale elettrica sarebbe utilizzata nelle nostre case, senza doverne
perdere molta per strada per effetto Joule. Comunque, se non esistesse resistenza elettrica nessuna lampadina
potrebbe mai accendersi e nessuna stufa elettrica riscaldare… E se non esistesse attrito non potremmo
camminare: scivoleremmo come su una pista di ghiaccio!
I combustibili fossili [tratto dall’Amaldi]
La nostra automobile, per funzionare, consuma benzina o gasolio. Qualcuno ha modificato la propria
auto in modo che funzioni con il metano. Gasolio e metano sono anche usati per il riscaldamento delle nostre
abitazioni.
Il petrolio (dal quale derivano benzina e gasolio) e il metano, insieme con il carbone, hanno un’origine
comune: sono combustibili fossili. Ciò significa che si sono formati, nel corso di milioni di anni, a partire
dai resti di antichi organismi che sono rimasti sepolti in un ambiente privo di ossigeno. Non per niente,
sia il carbone (che è un minerale solido), sia il petrolio (che è liquido), sia il metano (che è un gas) sono
estratti dal sottosuolo.
Sebbene l’uso dei combustibili fossili è relativamente semplice, il loro utilizzo crea due problemi molto
gravi: l’inquinamento ambientale e l’esaurimento delle riserve.
Si ritiene che le attuali riserve di petrolio possano durare ancora non più di 100-150 anni. Purtroppo quasi
tutte le fonti energetiche che utilizziamo sono, come i combustibili fossili, non rinnovabili. Con questo
termine si indicano tutte le fonti energetiche destinate a esaurirsi in un intervallo di tempo più o meno
breve.
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Le fonti energetiche rinnovabili [estratto dall’Amaldi]
L’energia solare e l’energia eolica (cioè del vento) sono i due esempi più noti di fonti energetiche
rinnovabili. Con questo termine si indica una fonte di energia che sia disponibile praticamente per
sempre.
L’energia solare
Solo una minima parte dell’energia che giunge dal Sole è utilizzata direttamente dall’uomo. Una buona
parte viene utilizzata in modo indiretto: tutto ciò che cresce sulla Terra sfrutta l’energia del Sole, per cui
quando mangiamo o ci riscaldiamo, bruciamo legna nel camino, non facciamo altro che avvantaggiarci
dell’energia solare che mesi o anni prima era giunta sulla Terra.
I due dispositivi più comuni che permettono di utilizzare in modo diretto l’energia del Sole sono i
pannelli solari e le celle fotovoltaiche.
I pannelli solari sono dispositivi che sfruttano il calore che proviene dal Sole per riscaldare acqua o altri
liquidi che scorrono in apposite condutture. La luce del Sole, incide su una piastra scura, che quindi
assorbe calore e che si trova al di sotto di una lastra di vetro. Il vetro ha la proprietà di intrappolare
l’energia dei raggi solari riflessi dalla lastra scura posta all’interno del pannello, sotto il vetro. A contatto
con la lastra scura si trovano le condutture a serpentina in cui scorre l’acqua, che viene così riscaldata,
potendo raggiungere temperature tra 50 °C e 90 °C. Essa può quindi essere utilizzata per impieghi
domestici.
Le celle fotovoltaiche sono dispositivi costituiti da materiali semiconduttori di elettricità (come il silicio)
che hanno la proprietà di ricavare energia elettrica direttamente dalla luce solare. Le celle fotovoltaiche
sono ancora troppo costose per essere utilizzate su ampia scala. Diventano convenienti quando servono
per produrre energia elettrica in luoghi in cui non giungono le normali linee elettriche.
L’energia eolica
A partire dal 1100 in Europa l’energia eolica è stata utilizzata per macinare il grano o per sollevare
l’acqua per mezzo di mulini a vento.
Attualmente l’uso più diffuso dell’energia eolica consiste nella generazione di energia elettrica per mezzo
di opportuni generatori. Un generatore eolico contiene un alternatore, ed è simile alla “dinamo” della
bicicletta: trasforma energia cinetica in energia elettrica.
Inconvenienti dell’energia eolica, oltre che la relativamente bassa efficienza, sono l’inquinamento
acustico e le interferenze elettromagnetiche con le trasmissioni radio e televisive, che possono essere
evitate utilizzando pale in vetroresina.
L’energia geotermica
L’energia geotermica è una fonte rinnovabile che sfrutta il calore che si trova all’interno della Terra.
Nelle regioni in cui il calore interno fuoriesce in superficie, come avviene nei soffioni boraciferi, nelle
sorgenti termali o nei geyser, le acque sotterranee riscaldate dalle rocce ad alta temperatura, possono
essere estratte per il riscaldamento domestico (come accade, per esempio, in Islanda) o per produrre
energia elettrica. In Italia dal 1904 opera un’importante centrale elettrica geotermica a Larderello (in
provincia di Pisa).
I problemi tecnici che si incontrano sono la rarità dei siti geotermici e la presenza di sostanze disciolte
nelle acque geotermiche (zolfo, mercurio, boro) che costituiscono un pericolo per l’ambiente e per la
salute dell’uomo.
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L’energia nucleare
L’energia nucleare proviene da certi materiali che, pur essendo rari, come l’uranio, sono necessari in
quantità talmente ridotta da non essere destinati a un esaurimento in tempi anche molto lunghi.
Le reazioni nucleari sono quei fenomeni, che possono produrre o assorbire energia attraverso
processi di trasformazione dei nuclei atomici. Esse sono da distinguere dalle reazioni chimiche, che invece
interessano solo la struttura elettronica esterna dell’atomo.
Le reazioni nucleari avvengono a energie molto grandi o in condizioni molto particolari.
Dei due possibili tipi di reazioni nucleari, a fissione e a fusione, solo la fissione nucleare è
attualmente impiegata per la produzione di energia elettrica.
La fusione nucleare, su cui sono riversate molte speranze per un futuro ancora lontano, si verifica in
natura nei centri delle stelle. Solo a livello sperimentale si è riusciti a produrre reazioni di fusione nucleare
controllate (cioè non esplosive).
Fissione nucleare
La fissione nucleare (o scissione nucleare) avviene quando, per esempio, un nucleo atomico di
uranio-235 è colpito da un neutrone e si divide in due nuclei atomici più leggeri. La somma delle masse dei
nuclei prodotti è un po’ inferiore della massa del nucleo iniziale di uranio. Questo difetto di massa si è
trasformato direttamente in energia secondo la relazione di Einstein:
E = m c2
(c = 300.000 km/sec è la velocità della luce).
La relazione di Einstein afferma che una massa m può “sparire” trasformandosi in energia E. 1
Schema della fissione nucleare dell’uranio.
Nella scissione nucleare, oltre ai nuclei atomici prodotti dal bombardamento di neutroni si liberano
altri neutroni, che a loro volta possono contribuire a scindere altri nuclei di uranio. Il processo, chiamato
reazione a catena, avviene in maniera incontrollata nelle bombe atomiche. Avviene invece in maniera
1
Einstein scoprì quindi che il principio di conservazione della massa non è sempre rigorosamente valido. Invece è
sempre valido il principio di conservazione dell’energia, tenendo presente l’equivalenza tra massa ed energia data dalla
E = m c 2.
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controllata2 nelle centrali nucleari, dove il flusso dei neutroni viene limitato da barre di controllo costituite di
grafite.
I problemi connessi con l’impiego dell’energia nucleare di fissione sono:
- possibilità di incidenti nucleari, con la liberazione di sostanze radioattive;
- smaltimento delle scorie radioattive prodotte nelle centrali.
In Italia, un referendum ha bloccato la produzione di energia nucleare già dalla fine degli anni ’80.
Fusione nucleare
A lunga scadenza, la fonte che molti esperti pensano sia la più promettente per le centrali da migliaia di
megawatt è la fusione nucleare.
Sia ha fusione nucleare quando, sotto particolari condizioni di temperatura, due nuclei atomici si
uniscono per formarne uno più grande. Questo tipo di reazioni si verifica in natura soltanto nei centri delle
stelle, dove la temperatura raggiunge valori di decine di milioni di gradi, per via dell’enorme pressione
esercitata verso il centro dal peso di tutti gli strati stellari sovrastanti. Nel nucleo del Sole la temperatura è di
15 milioni di gradi. A questa temperatura gli atomi sono completamente ionizzati, cioè hanno perso i loro
elettroni. La materia risulta quindi formata da nuclei atomici liberi e da elettroni anch’essi liberi, cioè non più
orbitanti intorno ai nuclei.
Ricordando che i nuclei degli atomi sono formati da protoni, aventi carica elettrica positiva, e da
neutroni, aventi carica elettrica nulla (neutri), risulta che la carica di ogni nucleo atomico è positiva, quindi i
nuclei atomici tendono a respingersi e generalmente non si uniscono. Se però si hanno temperature
estremamente elevate, l’agitazione termica nel materiale è talmente violenta che due nuclei, urtandosi
violentemente, possono superare la repulsione e fondersi tra loro. Questo processo porta alla nascita di un
nuovo nucleo formato da più protoni. Quindi, mediante le reazioni di fusione nucleare si ha la trasformazione
di elementi leggeri in elementi più pesanti.
Nel Sole, come in tutte le stelle, l’elemento più abbondante è l’idrogeno (H). Esso ha numero
atomico Z=1, cioè è formato da un solo protone (più, eventualmente, un neutrone: in tal caso si ha l’isotopo
dell’idrogeno chiamato deuterio). Ebbene, nel centro del Sole si verificano reazioni nucleari che a partire da
quattro protoni (cioè nuclei di idrogeno) producono nuclei di elio (He) (e in più delle particelle molto strane
e quasi prive di massa chiamate neutrini). Queste reazioni nucleari sono esoenergetiche, cioè sviluppano
energia verso l’esterno. E’ così che il Sole emette la sua energia. Quest’energia è prodotta, come nelle
reazioni di fissione nucleare, a spese di una piccola quantità di massa, secondo la relazione di Einstein
E = m c2.
Lo schema della cosiddetta reazione protone-protone (o reazione p-p), come viene chiamata quella
sopra descritta, è il seguente:
La prima reazione controllata fu ottenuta a Chicago nel 1942 dall’equipe di scienziati guidati dall’italiano Enrico
Fermi.
11
2
Schema della reazione protone-protone.
p+p+p+p
passi intermedi
He + 2 neutrini + energia
cioè, 4 protoni, attraverso varie reazioni nucleari intermedie, si fondono alla fine in un unico nucleo di elio
(formato da 2 protoni e 2 neutroni), con l’emissione di 2 neutrini e di energia (sotto forma di raggi gamma).
Nel nucleo solare si verificano ogni secondo miliardi di reazioni protone-protone, e quindi si produce
un’enorme quantità di energia.
Centrali a fusione nucleare e bombe H
Questo tipo di reazioni, se si riuscisse a realizzare in maniera controllata sulla Terra, garantirebbe la
produzione di enormi quantità di energia a partire da elementi abbondanti e senza prodotti inquinanti.
Purtroppo gli sforzi dei fisici non hanno ancora dato risultati utilizzabili, e soltanto in certi laboratori è stato
possibile ottenere la fusione nucleare, ma solo di piccolissime quantità di materia. Il problema è quello di
ottenere la temperatura di milioni di gradi necessaria per innescare le reazioni di fusione nucleare e di
realizzare dei sistemi in grado di contenere del materiale a queste incredibili temperature.
In maniera incontrollata la reazione di fusione nucleare è realizzata nelle bombe H (o bombe
all’idrogeno), ancora più potenti delle bombe atomiche basate sulla fissione nucleare dell’uranio.
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