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Elettricità

C’è una forza che agisce attirando i corpi leggeri verso la

plastica, l’ambra o il vetro; questa forza è chiamata forza elettrica (questo termine deriva proprio dal nome greco

dell’ambra, élektron) la proprietà si chiama elettricità.

Un corpo che esercita la forza elettrica, cioè un corpo

elettrizzato, crea intorno a sé un campo elettrico, cioè un

campo di forza invisibile che agisce su tutti i corpi che si

trovano al suo interno. Gli atomi della materia sono

costituiti da un nucleo che contiene protoni con carica

elettrica positiva, attorno al nucleo ruotano gli elettroni con

carica elettrica negativa, ogni atomo ha lo stesso numero di

elettroni e di protoni perciò è elettricamente neutro; quindi

se noi strofiniamo una manica di lana con un bicchiere di

vetro il vetro si carica positivamente e cede elettroni alla

lana, però anche questo corpo attira i pezzetti di carta. Due

corpi con carica elettrica di segno uguale, negativo o

positivo, si respingono. Due corpi con carica elettrica di

segno opposto, negativo e positivo, si attraggono. Per

capire se un corpo è elettrizzato possiamo usare

l’elettroscopio, l’unità di misura della carica elettrica è il

coulomb (C). Abbiamo diversi modi di elettrizzazione:

quando per esempio passiamo il pettine tra i capelli essi si

elettrizzano e tendono a stare “in piedi” perché, caricati

dallo stesso segno si allontanano questo è un

elettrizzazione per strofinio, un semplice contatto comporta

un trasferimento d elettroni da un corpo all’altro si parlerà

allora di elettrizzazione per contatto, ma due corpi possono

elettrizzarsi anche senza entrare in contatto per induzione

elettrica come per i pezzetti di carta che per essere attratti

dalla penna di plastica devono caricarsi positivamente.

Non tutti i materiali permettono agli elettroni di spostarsi

con la stessa facilità, i metalli, il nostro corpo e la Terra

sono buoni conduttori di elettricità: in essi le cariche in

eccesso si muovono con facilità ciò è dovuto al fatto che gli

elettroni più esterni dei loro atomi hanno legami deboli con

il nucleo e sono quindi liberi di muoversi; mentre i materiali

come la plastica, il vetro, la gomma, la ceramica sono

materiali isolanti: in essi le cariche elettriche si muovono

con difficoltà perché gli elettroni dei loro atomi hanno forti

legami con il nucleo.

Nei corpi elettrizzati le cariche elettriche acquistate stanno

ferme, si definiscono infatti elettrostatici. Però in alcuni

casi come nei conduttori essi sono in grado di muoversi

come avviene quando noi usiamo la corrente elettrica.

Si può paragonare il flusso degli elettroni ad un flusso

d’acqua; se una massa d’acqua ha accumulato una certa

energia potenziale gravitazionale, appena libera di

muoversi fluirà verso il basso, esaurendo l’energia

potenziale che diventa energia cinetica.

Se l’acqua è posta in due recipienti comunicanti in uno dei

quali raggiunge un livello superiore, scorrerà verso il

recipiente in cui si trova a un livello inferiore. Un corpo

elettrizzato contiene un eccesso di cariche elettriche dello

stesso segno che hanno un’energia potenziale elettrica

detta potenziale elettrico, la quale trasformata in energia

cinetica mette in moto gli elettroni. Il potenziale elettrico

è tanto maggiore quanto più numerose sono le cariche

accumulate.

Quando i due estremi del conduttore hanno un diverso

potenziale elettrico, cioè quando tra essi c’è una differenza

di potenziale, chiamata tensione elettrica, gli elettroni si

spostano lungo il conduttore per annullare questa

differenza. L’unità di misura della tensione elettrica è il volt

(V), dal nome fisico italiano Alessandro Volta. La quantità di

corrente elettrica che scorre in un conduttore non è sempre

la stessa: può essere costituita da un numero maggiore o

minore di elettroni. Questa grandezza è chiamata intensità

di corrente e si misura in ampère (A), dal nome fisico

francese André-Marie Ampère. La tensione elettrica

produce un flusso di elettroni, cioè corrente elettrica. Una

volta che gli elettroni hanno raggiunto l’estremo conduttore

che aveva potenziale elettrico più basso, la tensione

elettrica si annulla e il flusso di cariche elettriche si

interrompe. Per continuare a disporre di corrente elettrica

è necessario un dispositivo che conservi la tensione

elettrica tra i due estremi del conduttore. Un dispositivo di

questo tipo si chiama generatore di tensione.

Il più semplice generatore di tensione conosciuto è la pila,

inventata nel 1799 da Alessandro Volta.

Grazie a questa invenzione fu inaugurata la produzione di

elettricità. La pila di Volta era costituita da una “pila”

appunto di dischi di metallo, zinco e rame alternati, fra i

quali erano inseriti dischi di panno imbevuto di una

soluzione di acido solforico.

Schema della pila di Volta:

• Un elemento della pila;
• Strato di rame;
• Contatto negativo;
• Contatto positivo;
• Feltro o cartone imbevuto in soluzione acquosa;
• Strato di zinco.

I due metalli tendono a caricarsi uno negativamente e l’altro

positivamente a causa di reazioni chimiche dovute al

contatto con la soluzione acida; tra ogni coppia di dischi si

forma così una differenza di potenziale che va a sommarsi

alla differenza di potenziale di tutte le altre coppie di

dischi. Collegando le estremità della pila, dette elettrodi, si

ottiene un passaggio continuo di corrente.

Se si dispone di un generatore di tensione si può creare un

circuito elettrico che alimenta, per esempio, una lampadina.

Un circuito elettrico è un percorso chiuso nel quale una

differenza di potenziale fa circolare corrente elettrica.

Un circuito semplice può essere costituito da un filo

elettrico, il conduttore, collegato ai due elettrodi del

generatore di tensione, una pila; nel circuito è inserito un

utilizzatore, la lampadina, che può essere integrato da un

interruttore. Esso può essere collegato in serie o in

parallelo; quando è collegato in serie gli elementi sono

attraversati dalla stessa intensità di corrente, se a essere

collegati in serie sono dei generatori la tensione aumenta,

se si tratta degli interruttori basta che uno solo apra il

circuito per interrompere il flusso della corrente mentre se

si tratta degli utilizzatori se uno di essi si guasta il flusso di

corrente si interrompe. Nel collegamento in parallelo gli

elementi del circuito sono collegati a una coppia di

conduttori e ricevono la stessa tensione indipendentemente.

Anche se uno degli utilizzatori si guasta, il flusso di corrente

verso gli altri non si interrompe. Tutti i materiali, anche i

conduttori, oppongono una certa resistenza al passaggio

della corrente elettrica al proprio interno. Questo accade a

causa dell’attrito tra gli elettroni in movimento e gli atomi di

cui sono costituiti i conduttori.

La resistenza produce calore: gli elettroni in movimento

urtano contro gli atomi del conduttore e li mettono in

vibrazione; l’energia cinetica della vibrazione diventa

energia termica e il conduttore si riscalda. Questo

fenomeno che si chiama effetto termico o effetto Joule, è

alla base del funzionamento della lampadina. Grazie al

calore che si sviluppa al passaggio della corrente elettrica,

il filamento contenuto nella lampadina diventa

incandescente e si illumina.

La relazione tra intensità di corrente, tensione elettrica e

resistenza del conduttore è descritta nella prima legge di

Ohm, che prende il nome dal fisico inglese Georg Simon

Ohm. Questa legge afferma che l’intensità della corrente

elettrica (I) è direttamente proporzionale alla tensione

elettrica (V) e inversamente proporzionale alla resistenza

del conduttore (R), I = V/R. La resistenza di un conduttore

però aumenta all’aumentare della sua lunghezza e

diminuisce all’aumentare della sua sezione. Questa

relazione è descritta nella seconda legge di Ohm, che

afferma che la resistenza R di un conduttore dipende dalla

natura del materiale di cui esso è costituito, ed è

direttamente proporzionale alla sua lunghezza (L) e

inversamente proporzionale all’arco della sua sezione (s), R

= p I/s. La lettera greca p (ro) indica un valore

costante, tipico di ogni materiale.

Anche i liquidi possono essere isolanti o conduttori, per

esempio l’acqua distillata è un isolante mentre l’acqua del

rubinetto a causa dei sali minerali è un conduttore.

Immergendo due elettrodi, uno positivo uno negativo, in

una soluzione acquosa di cloruro di sodio questo composto

si dissocia in atomi di sodio con carica elettrica positiva e

atomi di cloro con carica elettrica negativa. Sono gli stessi

atomi a chiudere il circuito trasportando la corrente

elettrica nella soluzione. Gli atomi di sodio o ioni sodio,

essendo positivi, sono attratti dall’elettrodo negativo, che

cede loro elettroni. Gli ioni cloro negativi sono attratti

dall’elettrodo positivo a cui cedono gli elettroni in eccesso.

Sull’elettrodo negativo si forma una patina di sodio;

all’elettrodo positivo si liberano bollicine perché il cloro è un

gas. Questo fenomeno è chiamato elettrolisi che significa “

scioglimento per elettricità”.

Veicoli elettrici e inquinamento

Il traffico automobilistico è una fonte di inquinamento

ambientale. Per funzionare gli automezzi bruciano

carburante derivato dal petrolio che, nella combustione,

libera nell’atmosfera anidride carbonica e altre sostanze

inquinanti che hanno un impatto negativo anche sulla salute

dell’uomo. Un’alternativa ai veicoli dotati di motori a

combustibile potrebbe essere rappresentata da quelli

elettrici. Per muoversi i veicoli elettrici utilizzano l’energia

elettrica, esso è silenzioso e non produce emissioni

gassose. C’è il problema che anche che siano meno costose

e abbiano raggiunto una velocità pari a quella dei veicoli

tradizionali, devono essere ricaricate più volte rispetto alle

volte che si fa benzina e l’operazione non è semplice e

rapida e come sappiamo le città non sono ancora fornite di

apparecchi per la ricarica di questi veicoli. Ma l’energia

deve pur esser costituita in qualche modo e finché sia solo

energia solare o eolica inquinerà di meno ma quando verrà

prodotta dai combustibili fossili le sostanze inquinanti non

diminuiranno.

Magnetismo

Il magnetismo è la proprietà di attirare corpi che

contengono ferro. I materiali che hanno queste proprietà

sono chiamati magneti naturali come la magnetite e la

calamita. Ci sono sostanze, per esempio i metalli come il

ferro e il nichel, in grado di acquistare proprietà magnetiche

, cioè di magnetizzarsi. Un corpo costituito da nichel o ferro

o un'altra sostanza con la stessa proprietà può essere

magnetizzato in tre modi: per strofinio, per contatto o per

induzione. Per strofinio se strofiniamo la lama di un coltello

su una calamita esso sarà poi in grado di attrarre altri

oggetti di ferro. Per contatto se tocchiamo una graffetta

metallica con una calamita essa potrà attrarre altre

graffette. Per induzione un oggetto di ferro grande tenuto

vicino ad una calamita si magnetizza o può attrarre altri

oggetti. I magneti così creati possono essere temporanei

come quelli per contatto e induzione che come ci si

allontana la calamita perdono le proprietà magnetiche,

oppure permanenti se invece restano magnetizzati una

volta allontanati dalla calamita come può avvenire nella

magnetizzazione per strofinio. In una calamita gli oggetti

vengono attratti soprattutto alle estremità chiamate poli

magnetici e come una forza elettrica quella magnetica

forma un campo di forza chiamato campo magnetico. A

differenza del campo elettrico quello magnetico non è

uniforme. I due poli magnetici hanno proprietà diverse essi

perciò vengono chiamati polo nord magnetico e polo sud

magnetico, poli dello stesso tipo si respingono mentre quelli

di tipo opposto si attraggono. A differenza delle cariche

elettriche di segno positivo o negativo, che in un conduttore

si possono separare, i poli magnetici sono inseparabili. Se

si spezza una calamita avrà sempre un polo nord magnetico

e un polo sud magnetico.

Se noi prendiamo un polo nord magnetico vedremo che esso

è sempre rivolto verso il polo nord geografico ciò avviene

perché la Terra è il più grande magnete che genera quindi

un campo magnetico, il campo magnetico terrestre.

L’origine del campo magnetico terrestre non si sa

perfettamente sappiamo però che in polo nord magnetico e

quello terrestre non coincidono perfettamente: attualmente

l’asse magnetico è inclinato di 30°33 rispetto all’asse di

rotazione terrestre, si sa inoltre che la posizione dei poli

magnetici varia nel tempo. L’ago della bussola oltre che con

il campo magnetico terrestre che le fa segnare il nord, può

deviare con una calamita, o con uno circuito elettrico

quando in esso circola corrente. Questo fenomeno, chiamato

effetto elettromagnetico, dimostra che i rapporti esistenti

tra fenomeni elettrici e fenomeni magnetici vanno oltre la

semplice somiglianza e che i legami tra forza elettrica e

forza magnetica sono profondi. L’effetto elettromagnetico è

alla base del funzionamento degli elettromagneti o

elettrocalamite, utilizzati per sollevare o separare materiali

ferrosi. Se gli estremi di un filo che costituiscono il

solenoide sono collegati a un amperometro, uno strumento

che misura l’intensità di corrente. In questo circuito non c’è

generatore quindi non circola corrente, se dentro a un

solenoide inseriamo un magnete facendolo muovere

velocemente avanti e indietro vedremo che l’amperometro

segnerà che sta passando elettricità.

Questo fenomeno è chiamato induzione elettromagnetica, e

la corrente elettrica corrente indotta. Cariche elettriche e

magneti in movimento dimostrano il forte legame esistente

tra corrente elettrica e campo magnetico. L’insieme di

questi fenomeni è chiamato elettromagnetismo, nella

maggior parte delle sostanze questi circuiti elettrici hanno

un orientamento casuale, diverso tra loro, nello spazio. Nei

magneti, invece, i circuiti hanno un orientamento uguale e

ordinato. Quando un corpo viene

magnetizzato, tutti i circuiti elettrici si allineano nella

direzione del campo magnetico con cui sono entrati in

contatto, o di cui sono nelle vicinanze: il corpo diventa a

sua volta un magnete. La “smagnetizzazione”

corrisponde al ritorno del disordine nell’orientamento dei

circuiti elettrici “atomici”. Possiamo concludere, in

generale che un campo elettrico e un campo magnetico si

generano a vicenda. L’oscillazione variabile di un flusso di

elettroni genera infatti un campo magnetico, anch’esso

variabile, il quale a sua volta induce un campo elettrico

variabile, che genera un campo magnetico variabile e così

via. Il campo elettrico e il campo magnetico, oscillando

insieme, producono un’onda, chiamata onda elettromagnetica, che si propaga in tutte le direzioni. Come

tutte le onde anche quelle elettromagnetiche hanno

ampiezza d’onda, lunghezza, frequenza e periodo. La

gamma completa di tutte le onde elettromagnetiche, che

presentano un’ampia varietà di frequenze e di lunghezze

spettro elettromagnetico.

d’onda, si chiama Si va da quelle

di frequenza più bassa e lunghezza d’onda maggiore come

le onde radio, a quelle di frequenza più alta come i raggi

gamma emessi nel corso di fenomeni cosmici, come

l’esplosione di una supernova.

Elettrosmog

Tutte queste onde hanno però un effetto inquinante,

elettrosmog.

chiamato Con

il termine elettrosmog si designa l’inquinamento

elettromagnetico derivante da radiazioni elettromagnetiche

non ionizzanti quali quelle prodotte dalle infrastrutture di

telecomunicazioni come la radiodiffusione e la telediffusione

(emittenti radiofoniche e televisive), ponti radio, reti per

telefonia cellulare, dagli stessi telefoni cellulari, dagli

apparati wireless utilizzati soprattutto in ambito informatico

(campi elettromagnetici ad alta frequenza) e dalle

infrastrutture di trasporto dell’energia elettrica tramite cavi

elettrici percorsi da correnti alternate di forte intensità

come gli elettrodotti della rete elettrica di distribuzione

(campi elettromagnetici a bassa frequenza). Perciò è molto

preoccupante anche la salute di cittadini, gli studi sono in

corso ma è un effetto delle onde elettromagnetiche ad alta

frequenza (anche se non ionizzanti) che causano un

innalzamento della temperatura dei tessuti biologici

attraversati, soprattutto di quelli più ricchi d’acqua con

effetto di maggior penetrazione e assorbimento nei tessuti

interni al diminuire della frequenza.