Cap. 9 L’elettricità

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. Se è un energia essa è in grado di compiere un lavoro. Questo lavoro è compiuto grazie al movimento di particelle che noi chiamiamo cariche elettriche.

Le cariche elettriche Come sappiamo dallo studio degli atomi in natura esistono cariche elettriche positive e negative. Le cariche elettriche positive sono rappresentate dai protoni. Le cariche elettriche negative sono rappresentate dagli elettroni Il fatto che l’atomo si presenti elettricamente neutro è dato dall’uguaglianza delle cariche positive e negative.

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 Tutto questo senza sapere come era fatto un atomo, anzi, la filosofia dominante (aristotelica) ne negava l’esistenza

Elettrizzazione per strofinio Il fenomeno conosciuto ai greci prende oggi il nome di elettrizzazione per strofinio. 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?

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 Se strofiniamo due bacchette una di vetro e una di ebanite (un materiale plastico) queste si attraggono

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

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

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.

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.

Cariche positive e negative Materiali come il vetro se strofinati con un panno tendono a cedere elettroni perciò si caricano positivamente Materiali come l’ebanite se strofinati tendono ad acquistare elettroni e si caricano negativamente

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

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

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

Elettrizzazione dei corpi Esistono tre tipi di elettrizzazione Elettrizzazione per strofinio Elettrizzazione per contatto Elettrizzazione per induzione La prima l’abbiamo vista, vediamo le altre due

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

Elettrizzazione per induzione Abbiamo visto che cariche di segno opposto si attraggono Avviciniamo una bacchetta di vetro carica positivamente a due conduttori isolati da terra Le cariche positive del vetro attraggo le cariche negative del conduttore più vicino che si carica negativamente mentre l’altro si carica positivamente

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 Se levo la bacchetta i due conduttori rimarranno elettricamente carichi con cariche elettriche opposte

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

L’elettroscopio L'elettroscopio è uno strumento che permette di riconoscere se un corpo è carico elettricamente 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.

Cariche elettriche ferme e in moto 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

Corrente elettrica 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. Si assiste immediatamente al passaggio di elettroni dal conduttore caricato negativamente verso quello caricato positivamente Questo flusso prende il nome di corrente elettrica

Definizione Si definisce energia elettrica il moto ordinato di cariche negative all’interno di un conduttore

Il 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 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 wikipedia

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. 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

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

La pila di Alessandro Volta 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. La pila di Volta è costituita fondamentalmente da una colonna di più elementi siili sovrapposti ciascuno dei quali consiste in un disco di zinco sovrapposto ad uno di rame, uniti attraverso uno strato intermedio di feltro o cartone imbevuto in acqua salata o acidulata. (wikipedia)

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 lo propose per un cospicuo premio in denaro. (Wikipedia)

Circuito elettrico Si definisce circuito elettrico un percorso chiuso in cui circola corrente elettrica alimentata da un generatore di corrente. 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.

Nuovi concetti all’orizzonte 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

L’intensità di corrente elettrica In un circuito si ha l’intensità di un ampere quando in esso circola la carica di un Coulomb al secondo 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 L’unità di misura è l’ampere A 9.1 i = q t __

Precisazione La definizione precedente non è assolutamente rigoroso 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.

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

Il Coulomb L’unità di misura della carica è il Coulomb C Si definisce Coulomb 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

Differenza di potenziale elettrico 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 Affinché all’interno di un conduttore ci sia movimento di cariche occorre che al suo interno esista una differenza di potenziale o tensione Di definisce tensione il lavoro compiuto per spostare una carica fra gli estremi del conduttore In formule (semplificando) 9.3 V = L q __

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)

Legge di Ohm 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. La legge di Ohm dice che In un conduttore metallico l'intensità di corrente è direttamente proporzionale alla tensione applicata ai suoi capi e inversamente proporzionale alla resistenza del conduttore. 9.4 R = V i __

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. Altri, allacciati direttamente alla rete elettrica (220 V) sono pericolosissimi e possono provocare la morte se utilizzati senza le dovute accortezze.

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)

Per evitare le scosse Non tenere un apparecchio elettrico sul bordo della vasca o del lavandino. Non prendere il phone con le mani umide o con i piedi scalzi Evitare di toccare la vite metallica di una lampada quando cambi la lampadina e usare scarpe di gomma per l’operazione Non avvolgere il filo attorno ad un elettrodomestico caldo