elettricità

elettricità

Carica elettrica e fenomeni a essa collegati

L'elettricità è l'insieme dei fenomeni prodotti dalla carica elettrica, una proprietà di alcune particelle che costituiscono la materia. Esistono cariche positive e negative. Fra esse si esercitano forze attrattive quando hanno segni diversi, altrimenti le forze sono repulsive. Un flusso di cariche costituisce una corrente elettrica, che genera effetti termici, magnetici, meccanici, chimici, luminosi: tutti utili per molte applicazioni di grandissima importanza economica. Il progresso delle conoscenze ha portato a stabilire che i fenomeni elettrici e magnetici, compresi quelli riguardanti le onde elettromagnetiche (fra cui le onde radio e le onde luminose), hanno una natura fisica comune

La carica elettrica

La carica elettrica è una proprietà delle particelle che costituiscono l'atomo, ma non di tutte. Mentre protoni, neutroni ed elettroni possiedono tutti una massa, soltanto i protoni e gli elettroni possiedono carica elettrica. La carica di queste particelle è di tipo diverso: si chiama positiva quella posseduta dai protoni, negativa quella posseduta dagli elettroni, secondo una convenzione introdotta nel Settecento dallo scienziato e uomo politico americano Benjamin Franklin.

La carica totale di un corpo è la somma algebrica delle sue cariche positive e negative. In condizioni normali tutti i corpi sono elettricamente neutri, perché gli atomi che li costituiscono hanno un uguale numero di protoni e di elettroni (ciascuno dotato di una carica positiva o negativa, della stessa entità).

Un modo molto semplice per 'elettrizzare' un corpo, cioè per fargli acquistare carica elettrica, è quello di strofinarlo con un altro: una penna di plastica, per esempio, si elettrizza strofinandola con un panno di lana. Così facendo, uno dei due corpi cede elettroni all'altro, e quindi il primo si carica positivamente, il secondo negativamente; ma il sistema costituito dall'insieme dei due corpi resta complessivamente neutro. In tutti i fenomeni elettrici la carica elettrica totale di un corpo isolato, o di un sistema di corpi isolati, rimane sempre la stessa. Per questo si dice che la carica elettrica si conserva.

La storia dell'elettricità

Già gli antichi Greci avevano osservato che strofinando con un pezzo di pelliccia l'ambra (una resina fossile usata oggi come gioiello) questo materiale acquistava la proprietà di attrarre oggetti piccoli e leggeri, come fili o piume. I fenomeni elettrici sono quindi noti agli esseri umani da oltre duemila anni, ma soltanto tre secoli fa ha avuto inizio lo studio scientifico dell'elettricità.

I risultati di queste ricerche non solo hanno arricchito le nostre conoscenze, ma anche condotto a un gran numero di applicazioni pratiche, alcune di fondamentale importanza per la società umana come l'illuminazione elettrica, la radio, la televisione e i calcolatori.

Oggi sappiamo che l'elettricità, più precisamente la carica elettrica, è una proprietà di alcune particelle di materia che costituiscono l'atomo e che fra le cariche si esercitano forze chiamate elettriche. E sappiamo anche che una corrente elettrica non è altro che un flusso di cariche attraverso un circuito elettrico.

Una svolta decisiva per la scienza dell'elettricità si ebbe nel 1799 quando il fisico italiano Alessandro Volta inventò la pila elettrica, consentendo per la prima volta di ottenere un flusso continuo di cariche in un circuito, cioè una corrente elettrica. Perché una svolta? Le ragioni sono due: quasi tutte le innumerevoli applicazioni dell'elettricità sfruttano fenomeni legati al passaggio di una corrente elettrica; la scoperta di Volta ha favorito nuovi studi, dai quali è nata anche la teoria dell'elettromagnetismo. Questa teoria, dovuta al fisico scozzese James Clerk Maxwell, pone in stretta relazione i fenomeni elettrici, magnetici e luminosi, individuandone la comune natura.

Legge di Coulomb

1

2

fig.

Fra le cariche elettriche, e quindi fra i corpi elettricamente carichi, si esercitano forze, come già detto chiamate forze elettriche, che agiscono a distanza. La forza fra due cariche è repulsiva se queste hanno lo stesso segno (v. fig. 1 e 2), attrattiva se di segno opposto (v. fig.). Nel caso di due cariche puntiformi (cioè tali da potersi considerare concentrate in un punto dello spazio), l'intensità F di questa forza è direttamente proporzionale al prodotto della due cariche (q₁ e q₂) e inversamente proporzionale alla distanza al quadrato fra esse (legge di Coulomb): F = Cq₁q₂/d², dove C è una costante il cui valore numerico dipende dalle unità di misura delle grandezze.

L'unità di misura della quantità di carica elettrica nel Sistema internazionale si chiama coulomb e si abbrevia con il simbolo C, dal nome di Charles-Augustin de Coulomb, lo scienziato francese del Settecento che stabilì la legge anzidetta. La quantità di carica di 1 C è relativamente grande: molti milioni di volte maggiore di quelle che producono le piccole scariche elettriche che si osservano quando ci si toglie un maglione e pari a circa sei miliardi di miliardi di cariche elementari (chiamando q_e il valore assoluto della carica elementare posseduta da un elettrone o da un protone, si ha: 1 C=6,24×10¹⁸ q_e).

La carica elettrica può essere immagazzinata in dispositivi chiamati condensatori, in quantità tanto maggiore quanto maggiore è la loro capacità elettrica. Il più semplice condensatore è costituito da due lastrine metalliche separate da un piccolo strato di materiale isolante. Si può verificare il funzionamento di un condensatore di grande capacità collegandone i terminali prima ai poli di una pila, che gli fornisce carica elettrica da immagazzinare, e poi a quelli di una lampadina, che brillerà per un istante grazie al flusso delle cariche fornite dal condensatore.

Elettricità e materia

Fra elettricità e materia vi è un legame strettissimo, non soltanto perché la carica elettrica è una proprietà delle particelle che costituiscono la materia, ma anche perché sono le forze elettriche a tenere unita la materia. Forze elettriche attrattive legano gli elettroni degli atomi al nucleo (che è positivo, essendo costituito da protoni e neutroni), impedendo loro di sfuggirne; forze elettriche (forze di legame chimico), derivanti da scambi di elettroni, uniscono tra loro gli atomi che costituiscono una molecola. Sono forze elettriche quelle che si esercitano fra le molecole dei corpi solidi o liquidi (forze di coesione) e che tengono assieme i solidi. Anche il volume che occupa la materia solida e liquida dipende dall'equilibrio tra forze elettriche attrattive e repulsive che si esercitano fra le particelle: le forze attrattive prevalgono quando queste particelle si allontanano fra loro rispetto alla distanza di equilibrio; quelle repulsive, quando si avvicinano eccessivamente.

La corrente elettrica e i suoi effetti

Una corrente elettrica è un flusso di cariche elettriche che scorrono attraverso un circuito chiuso; il generatore elettrico inserito nel circuito fornisce alle cariche l'energia necessaria per muoversi. Il flusso può essere continuo, cioè svolgersi sempre nello stesso senso e con intensità costante, e allora si tratta di corrente continua, come quella che scorre in un circuito alimentato da una pila. In altri casi il flusso delle cariche può variare nel tempo e allora si parla di correnti variabili. Il caso più comune è quello delle correnti alternate, il cui senso si inverte periodicamente. La corrente che si preleva dalle prese di rete (per esempio nelle abitazioni) è alternata e cambia senso 50 volte al secondo, cioè ha la frequenza di 50 hertz. Durante ciascun periodo (pari a 1/50 di secondo, vale a dire 0,02 secondi) essa aumenta da zero a un valore positivo, poi diminuisce fino ad annullarsi, quindi assume valori negativi (cioè scorre in senso opposto a prima) e poi si annulla nuovamente.

Effetti provocati dalla corrente elettrica

Il passaggio di corrente elettrica provoca sempre un effetto termico (chiamato anche effetto Joule), che consiste nello sviluppo di calore, cioè nella trasformazione in energia termica dell'energia elettrica trasportata dalla corrente (fornita dal generatore). Il calore prodotto è direttamente proporzionale al quadrato dell'intensità della corrente e alla resistenza elettrica dell'elemento attraversato dalla corrente. L'effetto Joule è sfruttato nelle stufe elettriche e in una varietà di altri apparecchi come forni elettrici, asciugacapelli, macchine lavatrici e così via.

Quando il conduttore percorso da corrente si riscalda a una temperatura sufficientemente elevata, emette luce, cioè si ha l'effetto luminoso. Possiamo vederlo nelle lampadine elettriche (dette a incandescenza), dove la corrente riscalda un filamento di tungsteno alla temperatura di circa 2.700 °C. In corrispondenza di questa temperatura si ha l'emissione di una gradevole luce bianco-gialla (ma meno bianca di quella che ci arriva dal Sole, la cui superficie raggiunge temperature molto più elevate).

Il passaggio di una corrente produce sempre un effetto magnetico (magnetismo), che manifesta il profondo legame fra fenomeni elettrici e magnetici. Lo si osserva, per esempio, quando l'ago di una bussola, posta vicino a un conduttore percorso da corrente, subisce una deviazione: ciò vuol dire che il conduttore si può comportare come un magnete. Si deve notare che la forza che agisce sull'ago della bussola, facendolo ruotare, compie evidentemente lavoro meccanico. Questa forza magnetica è infatti la stessa che fa funzionare i motori di un locomotore elettrico, come di qualsiasi altro motore elettrico. È l'effetto meccanico della corrente che comporta la trasformazione di energia elettrica in energia meccanica e che riveste grande utilità pratica.

Effetti elettromagnetici e chimici

Quando un conduttore è percorso da una corrente alternata si produce un effetto elettromagnetico tanto più rilevante quanto maggiore è la frequenza della corrente (in genere dell'ordine di milioni o miliardi di hertz, cioè di 10⁶÷10⁹ Hz). Correnti variabili nel tempo creano infatti campi magnetici anch'essi variabili che a loro volta generano campi elettrici variabili e così di seguito. Quando i campi elettrici e magnetici oscillano insieme generano onde elettromagnetiche. Le onde si propagano nello spazio attorno al conduttore, che si comporta quindi come un'antenna trasmittente. Questo è quanto avviene, per esempio, nell'antenna di una stazione radio oppure di un telefonino. Le onde così generate trasportano energia a distanza e hanno la stessa natura delle onde luminose che costituiscono la luce (le onde luminose hanno però frequenze assai più elevate, dell'ordine di un milione di miliardi di hertz, cioè 10¹⁵ Hz).

Menzioniamo infine l'effetto chimico della corrente, che provoca il fenomeno dell'elettrolisi, la quale consiste in trasformazioni chimiche che avvengono al passaggio della corrente in certe sostanze. Grazie a esso, per esempio, le molecole dell'acqua possono venire decomposte negli atomi dei due elementi che le costituiscono, idrogeno e ossigeno.

Elettricità e natura

Tutta la natura è ricchissima di fenomeni elettrici. Il nostro cuore, per esempio, funziona grazie a impulsi elettrici che ne stabiliscono il ritmo e quando gli impulsi naturali risultano insufficienti un dispositivo artificiale, il segnapassi cardiaco o pacemaker, viene impiantato nell'organismo. Anche il funzionamento del cervello, come di tutto il sistema nervoso, è basato sulla trasmissione e sulla elaborazione di segnali elettrici: senza di essi le informazioni raccolte dagli organi di senso non potrebbero raggiungere il cervello e sarebbe impossibile muovere i muscoli. In certe specie animali, inoltre, si sono sviluppati particolari organi elettrici: per esempio negli squali, nei pesci torpedine e in molti altri pesci elettrici.

Un fenomeno elettrico naturale ben noto, e particolarmente vistoso, è rappresentato dai fulmini. Sono scariche elettriche che scoccano fra le nuvole o fra le nuvole e la terra, causate dall'accumulo di grandi quantità di carica elettrica. Fra i fenomeni elettrici naturali rientra anche il magnetismo terrestre, per cui l'ago della bussola indica il nord come se la Terra fosse un'immensa calamita. In passato si attribuiva il fenomeno a grandi masse di minerali magnetici presenti nella crosta terrestre, mentre oggi lo si attribuisce all'effetto magnetico di correnti elettriche che scorrono nel nucleo della Terra, costituito da metalli (ferro e nichel) in parte solidi e in parte liquidi.

L'elettricità nella società umana

La diffusione di una vasta serie di applicazioni dell'elettricità ha prodotto, nel corso degli ultimi due secoli, grandi cambiamenti nella società umana, che riguardano sia il modo di lavorare, informarsi e trascorrere il tempo libero, sia la salute e la durata della vita.

Alcune applicazioni utilizzano l'elettricità come forma di energia, altre come supporto per l'informazione, cioè come segnale. L'elettricità costituisce infatti al tempo stesso una forma di energia assai flessibile e un mezzo eccellente per elaborare informazioni e trasmetterle a distanza. Utilizzando linee elettriche, si possono trasportare a distanza grandi quantità di energia (centrali elettriche), in modo assai più semplice e conveniente rispetto al trasporto di combustibili, per poi utilizzarla dove e quando serve. Grazie ai suoi effetti (termico, luminoso e meccanico) l'elettricità permette infatti di ottenere, in qualsiasi momento, calore o luce senza dover bruciare combustibili, oppure lavoro meccanico senza bisogno di motori termici, evitando così processi spesso rumorosi e sempre inquinanti. I pregi dell'elettricità risultano particolarmente vantaggiosi negli usi domestici e trovano conferma nella crescita dei consumi di energia elettrica, che in Italia ha un ritmo più che doppio rispetto al totale dei consumi di energia.

Elettricità per trasmettere e analizzare informazioni

Oggi è importantissimo l'impiego di segnali elettrici come mezzo per rappresentare, elaborare, memorizzare e trasmettere informazioni, cioè dati numerici, testi, suoni e immagini, sia fisse sia in movimento. Questo ha portato nel tempo allo sviluppo prima del telegrafo e del telefono, poi della radio e della televisione, e poi ancora, negli ultimi decenni, computer e della rete Internet che li collega assieme in tutto il mondo. Si sono sviluppate nuove professioni e sono state create molteplici attività imprenditoriali di grande rilevanza economica. Agli sviluppi in questo settore hanno contribuito gli eccezionali progressi dell'elettronica, che consistono in una straordinaria riduzione sia delle dimensioni sia dei costi dei dispositivi necessari a svolgere queste funzioni.

Numerose applicazioni dell'elettricità contribuiscono alla sicurezza e alla salute dell'uomo. Fra le prime, un buon esempio è rappresenetato dalle strumentazioni elettroniche delle automobili che utilizzano appositi sensori per comandare l'apertura dell'airbag in caso d'incidente o per regolare la frenata su terreni scivolosi così da evitare pericolosi slittamenti. Fra le seconde rientrano le tecniche usate dai medici per diagnosticare lo stato di salute dei pazienti. Alcune sono basate su misure di segnali corporei cerebrali, cardiaci, muscolari, altre sono tecniche di visualizzazione degli organi interni (diagnostica per immagini), come le ecografie, la tomografia assiale computerizzata (TAC) e la risonanza magnetica.

Che cosa significa elettricità?

Il termine elettricità è stato introdotto nell'anno 1600 dallo scienziato inglese William Gilbert, che lo derivò da èlektron, il nome greco dell'ambra. Nell'uso comune questo termine è impiegato oggi sia nel significato di corrente elettrica o energia elettrica sia per indicare complessivamente tutti i fenomeni di natura elettrica. Nel linguaggio scientifico, invece, elettricità significa quantità di carica elettrica, ma si usa anche come sinonimo di elettrologia, quella parte della fisica che si occupa dei fenomeni relativi alle cariche elettriche, in quiete (elettrostatica) e in movimento (elettrodinamica), e delle leggi che li governano.

L'elettricità: fluidi o corpuscoli?

Al Settecento risale la prima teoria scientifica sull'elettricità, immaginata come un fluido invisibile in grado di trasmettersi da un corpo all'altro. Un corpo, infatti, si elettrizza quando viene posto a contatto con un oggetto già elettrizzato. All'epoca, anzi, si discuteva se esistessero due fluidi diversi, chiamati elettricità vetrosa e resinosa (perché ottenuti strofinando corpi fatti di questi materiali), oppure, come sosteneva Benjamin Franklin, se esistesse un unico fluido che quando penetrava nei corpi li caricava 'positivamente' e quando ne usciva li caricava 'negativamente'. In seguito venne proposta una teoria corpuscolare, secondo la quale l'elettricità era costituita appunto da particolari corpuscoli elettrici. La teoria dei fluidi elettrici fu abbandonata definitivamente dopo la scoperta dell'elettrone nel 1897. In questo anno il fisico inglese Joseph John Thomson dimostrò l'esistenza di questa minuscola particella dotata di carica elettrica. Risultati di esperimenti successivi mostrarono inoltre che la carica posseduta da un elettrone non può essere ulteriormente suddivisa.