Elettricità ed elettromagnetismo

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 termina 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” perche, 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. 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 so no 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 Andrè – 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
1. 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.
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”.
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.
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 conosce 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 in oltre 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 d’onda, si chiama spettro elettromagnetico. 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.
Tutte queste onde hanno però un effetto inquinante, chiamato elettrosmog. 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. Nel caso dei telefoni cellulari, la potenza irradiata è bassa (solitamente minore di 1 watt) così che il riscaldamento prodotto è dell'ordine di poche frazioni di grado, quasi interamente localizzato nella testa dell'utente, inferiore comunque all'effetto di un'esposizione diretta di pari durata alla radiazione solare. I soggetti portatori di pacemaker dovrebbero rispettare una distanza maggiore di 1 metro fra il telefono e il dispositivo medico, poiché le onde elettromagnetiche prodotte potrebbero creare dei falsi impulsi nei circuiti tali da “disturbare” il regolare ritmo cardiaco.