LA CONDUZIONE ELETTRICA I Meccanismi Della Conduzione, Soluzioni, Gas, Carica Elementare Per eventuali approfondimenti o chiarimenti contattare la Prof.ssa.

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1 LA CONDUZIONE ELETTRICA I Meccanismi Della Conduzione, Soluzioni, Gas, Carica Elementare Per eventuali approfondimenti o chiarimenti contattare la Prof.ssa Laura Farci – lfarci@tiscali.it

2 Fisica OnLineLa Conduzione Elettrica - I Meccanismi Della Conduzione 2 di 26 Conduttori Elettrolitici Voltametro Acqua distillata Zucchero Sale La soluzione acqua-sale è conduttrice NaCl, CuSO 4, HCl, H 2 SO 4, NaOH ZUCCHERO SALE + - Elettrodi metallici AnodoCatodo

3 Fisica OnLineLa Conduzione Elettrica - I Meccanismi Della Conduzione 3 di 26 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 condut- trice Faraday (1833)

4 Fisica OnLineLa Conduzione Elettrica - I Meccanismi Della Conduzione 4 di 26 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” + - H+H+ Cl - H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ Quando gli ioni arrivano sugli elettrodi cedono a questi la loro carica diventando neutri e re- agendo chimicamente

5 Fisica OnLineLa Conduzione Elettrica - I Meccanismi Della Conduzione 5 di 26 L’elettrolisi E Le Leggi Di Faraday Faraday misurò quantitativamente le sostanze che nell’elettrolisi si sviluppano o si depositano negli elettrodi 1 a 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

6 Fisica OnLineLa Conduzione Elettrica - I Meccanismi Della Conduzione 6 di 26 L’elettrolisi E Le Leggi Di Faraday 2 a 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(H  1.008) Grammo-equivalente = M/Z g (H  1.008 g)

7 Fisica OnLineLa Conduzione Elettrica - I Meccanismi Della Conduzione 7 di 26 Le masse di Cl, H, Cu e Ag che si deposi- tano agli elettrodi stanno fra loro come i numeri 35.457 : 1.008 : 31.77 : 107.88 A HCl CuSO 4 AgNO 3 L’elettrolisi E Le Leggi Di Faraday

8 Fisica OnLineLa Conduzione Elettrica - I Meccanismi Della Conduzione 8 di 26 È possibile ricavare una formula che compendia entrambe le leggi Con questa formula è possibile calcolare la massa M di una sostanza che si deposita su un elettrodo per elettrolisi L’elettrolisi E Le Leggi Di Faraday

9 Fisica OnLineLa Conduzione Elettrica - I Meccanismi Della Conduzione 9 di 26 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

10 Fisica OnLineLa Conduzione Elettrica - I Meccanismi Della Conduzione 10 di 26 Ioni E Carica Elettrica Elementare Se Z è il numero degli elettroni in un atomo allora la loro carica complessiva è: Siccome la carica dell’atomo è nulla allora la carica del nucleo è: 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

11 Fisica OnLineLa Conduzione Elettrica - I Meccanismi Della Conduzione 11 di 26 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’aumen- tare della superficie degli elettrodi immersi ed è minore con l’aumentare della loro distanza

12 Fisica OnLineLa Conduzione Elettrica - I Meccanismi Della Conduzione 12 di 26 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

13 Fisica OnLineLa Conduzione Elettrica - I Meccanismi Della Conduzione 13 di 26 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

14 Fisica OnLineLa Conduzione Elettrica - I Meccanismi Della Conduzione 14 di 26 La Pila Elemento voltaico 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 Cu Zn H 2 SO 4 A +-

15 Fisica OnLineLa Conduzione Elettrica - I Meccanismi Della Conduzione 15 di 26 L’Effetto Termoelettrico Consideriamo due giunzioni Fe-Cu mante- nute a due temperature diverse t 1 e t 2 Inserendo un amperometro nella catena questo rivela il passaggio di corrente La corrente attraversa la giunzione a temperatura maggiore nel t1t1 t2t2 CuFe temperatura maggiore nel verso che va dal rame al ferro

16 Fisica OnLineLa Conduzione Elettrica - I Meccanismi Della Conduzione 16 di 26 L’Effetto Termoelettrico Effetto Seeback: 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 giun- zione a temperatura maggiore ricevono un’energia sufficiente per compensare la perdita dovuta all’effetto Joule

17 Fisica OnLineLa Conduzione Elettrica - I Meccanismi Della Conduzione 17 di 26 L’esperimento Di Millikan 1910: misura della carica del singolo elettrone

18 Fisica OnLineLa Conduzione Elettrica - I Meccanismi Della Conduzione 18 di 26 L’esperimento Di Millikan Per la seconda legge di Newton: Proiettando sugli assi: All’aumentare di “a” aumenta anche “F a ” A un certo punto: Da quel momento il moto è rettilineo uniforme con velocità v 0 e, dalla relazio- ne che definisce la forza di attrito, si può ricavare b :

19 Fisica OnLineLa Conduzione Elettrica - I Meccanismi Della Conduzione 19 di 26 L’esperimento Di Millikan Collegando adesso le due lastre piane a un generatore, alle precedenti si aggiun- ge una nuova forza: All’inizio, quando il moto è uniformemen- te accelerato: Quando poi il moto diventa rettilineo uniforme: La carica dell’elettrone è quindi data da:questo

20 Fisica OnLineLa Conduzione Elettrica - I Meccanismi Della Conduzione 20 di 26 Metalli, Isolanti e Semiconduttori metalliNei metalli la conduzione è data dagli elettroni liberi, in media uno per ogni atomo (10 22 elettroni per cm 3 ) isolantiNegli isolanti nessun atomo è ionizzato in condizioni normali; solo l’applicazione di un campo elettrico molto intenso può produrre qualche elettrone di conduzio- ne ionizzando un ugual numero di atomi

21 Fisica OnLineLa Conduzione Elettrica - I Meccanismi Della Conduzione 21 di 26 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 Metalli, Isolanti e Semiconduttori + + + + + + + + + + + ++ + + + + + + + + + + + + + + + + + + ++ + + + - - - - - - + + + + + +

22 Fisica OnLineLa Conduzione Elettrica - I Meccanismi Della Conduzione 22 di 26 I semiconduttori hanno un comporta- mento intermedio A basse temperature la conducibilità è bassa come per gli isolanti A temperatura ambiente si hanno 10 11 elettroni di conduzione per cm 3 I semiconduttori per eccellenza sono il Silicio e il Germanio Metalli, Isolanti e Semiconduttori

23 Fisica OnLineLa Conduzione Elettrica - I Meccanismi Della Conduzione 23 di 26 Nei semiconduttori la conduzione è dovuta non solo agli elettroni di conduzione ma anche al movimento di cariche elettriche positive Metalli, Isolanti e Semiconduttori - - - - - - + + + + + + +++++++++++++

24 Fisica OnLineLa Conduzione Elettrica - I Meccanismi Della Conduzione 24 di 26 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’elet- tricità, anche se debolmente Nell’aria ci sono particelle cariche il cui numero aumenta in presenza di particolari agenti detti agenti ionizzanti

25 Fisica OnLineLa Conduzione Elettrica - I Meccanismi Della Conduzione 25 di 26 Se tra le due piastre l’aria è secca non si osserva passaggio Se ionizziamo l’aria irraggian- dola con raggi X lo strumento segnala il passaggio di corrente La Scarica Nei Gas A Pressione Normale Se tra le due piastre l’aria è secca non si osserva passaggio di corrente V - + - - - - - + + + + + A AB vSvS vivi iSiS i v

26 Fisica OnLineLa Conduzione Elettrica - I Meccanismi Della Conduzione 26 di 26 La d.d.p. è di qualche migliaio di volt A pressione atmosferica (760 torr) si A 10 torr avviene una scarica con una sola colonna violacea La Scarica Nei Gas Rarefatti La d.d.p. è di qualche migliaio di volt A pressione atmosferica (760 torr) si hanno solo scariche rumorose con piccole correnti A 50 torr scariche più frequenti e silenziose V Tubo di estrazione dell’aria + -