ELETTRICITA'

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ELETTRICITA'
Termine generico indicante tutti i fenomeni fisici cui partecipano le cariche elettriche, sia in quiete, sia in moto.
CENNI STORICI: DALL'ETА CLASSICA AL XVII SECOLO
I Greci avevano giа constatato l'esistenza di fenomeni elettrici (p. es. l'attrazione di pagliuzze per strofinio dell'ambra), solo nel Rinascimento ci si pose il problema di ampliare le esperienze secondo una sempre piщ chiara visione metodologica. 1600 circa la sperimentazione ebbe un notevole sviluppo; furono ideate e studiate particolari macchine per produrre elettrizzazione sempre piщ forte, tipica la sfera elettrostatica costruita intorno al 1650.
Nel Settecento si assiste a una vera e propria esplosione dell'interesse degli scienziati per i fenomeni elettrici.
L'elettrologia, si puт ben dire, nasce in questo secolo. Cosм nella prima metа del secolo si raggiunsero importanti risultati, quali la distinzione tra corpo isolante e corpo conduttore. Moltiplicando gli esperimenti si potй dimostrare che ogni corpo puт essere elettrizzato, contrariamente a quanto si era creduto fino ad allora, e che non esistono un isolante perfetto e un conduttore perfetto.
Guidato dall'intuizione di una profonda analogia tra la scintilla e il fulmine, Franklin eseguм il 10 maggio 1752 la famosissima esperienza che doveva portare alla realizzazione del parafulmine.
In questo periodo viene introdotto per la prima volta l'importante concetto di resistenza, analizzato e studiato piщ a fondo. Sulla scia degli studi di Franklin alcuni studiosi elaborarono una teoria secondo la quale l'E. era dovuta a due fluidi elettrici imponderabili, vere e proprie sostanze che si respingono o si attirano secondo che siano o meno dello stesso segno e che si muovono piщ facilmente in alcuni corpi che non in altri.
Tale concezione rendeva conto con una certa completezza delle esperienze dell'epoca. L'elettrologia sembra di colpo, anche se molto resta da fare, inserita nel magnifico apparato matematico che tanto prestigio.
CENNI STORICI: IL XIX SECOLO
La scoperta piщ importante di questo periodo, che tante e cosм vaste ripercussioni ha avuto non solo su tutto l'insieme della fisica teorica ma anche e soprattutto sul mondo della tecnica e della produzione, и quella della corrente elettrica che ha avviato un periodo intenso di fruttuose ricerche che hanno portato in breve tempo alla fondazione dell'elettrodinamica e dell'elettrochimica.
Ne sono iniziatori due scienziati italiani che hanno dato vita, in quegli anni, a un accesissimo e polemico dibattito: Luigi Galvani e Alessandro Volta. Il primo, professore di anatomia all'Universitа di Bologna, ebbe modo di osservare che i muscoli di una rana si contraevano quando venivano toccati con un conduttore in presenza di una macchina elettrostatica in funzione. Successive esperienze convinsero Galvani che anche l'energia atmosferica era in grado di sollecitare la rana e che la stessa rana era sede di energia, detta energia animale. Le ricerche di Galvani furono riprese da Volta che, dopo un iniziale atteggiamento favorevole nei confronti dell'energia animale, constatт, come giа Galvani, che il fenomeno della contrazione risultava accentuato se l'arco metallico formato per provocarlo era costituito da due metalli diversi e finм per concludere (1795) che la fonte dell'energia non sta nell'organismo vivente bensм nel contatto dei due metalli. Attraverso successive sperimentazioni, Volta giunse ad amplificare l'effetto riscontrato costruendo un dispositivo produttore d’energia noto come “pila di Volta” (1799). Tale realizzazione diede un notevole impulso agli studi sugli effetti chimici e termici determinati dalla corrente elettrica.
Davy studiт inoltre il comportamento di conduttori a diverse temperature arrivando a concludere che “il potere conduttore dei metalli varia con la temperatura ed и piщ basso quasi nello stesso rapporto in cui la temperatura и piщ alta”.
Queste ricerche furono poi proseguite da G. S. Ohm che pervenne alla legge che collega la corrente passante in un conduttore con la sezione e la lunghezza dello stesso, e definм con precisione il concetto di resistenza. Ormai l'E. stava divenendo uno dei capitoli piщ importanti della fisica e della chimica.
Si hanno moltissimi risultati di notevole interesse, tra i quali: la scoperta dell'effetto termoelettrico che permise la costruzione di un altro generatore di corrente; la scoperta dell'effetto Joule; lo sviluppo delle misurazioni elettriche; lo studio approfondito dell'elettrolisi.
Ma i risultati piщ straordinari dell'epoca riguardano la scoperta della profonda relazione esistente fra E. e magnetismo.
D'allora in avanti lo sviluppo dell'E. si и identificato con lo sviluppo dell'elettromagnetismo.
FENOMENI ELETTRCI
Come fenomeni elettrici si puт verificare un’attrazione o una repulsione, questo и causato dal diverso stato elettrico in cui la materia si trova.Gli stati elettrici dei corpi vengono acquistati dal vetro quando diventano carichi positivamente e dalla plastica quando diventano carichi negativamente.
Questi corpi quando sono carichi dello stesso segno si respingono quando invece sono carichi di segno opposto si attraggono.
Perт la materia si puт trovare anche in uno stato neutro, quando non hanno ne elettricitа positiva ne negativa.
ELETTRICITA': MOVIMENTO DI ELETRONI
Per comprendere la natura dei fenomeni elettrici occorre riprendere il discorso sulla struttura dell’atomo.
L’atomo и costituito da un ugual numero di cariche elettriche di segno opposto per cui la sua carica elettrica и nulla e si dice che l’atomo и neutro.
Ogni atomo и costituito da un nucleo centrale e da un certo numero di elettroni (con carica negativa) rotanti attorno a esso.
Il nucleo и formato da protoni (con carica positiva) e neutroni (senza carica), tenuti assieme da forze di grandi intensitа ma con un brevissimo raggio d’azione.
Se sull’atomo non agisce alcuna causa esterna l’atomo и elettricamente neutro.
Se si sottraggono agli atomi di un corpo uno o piщ elettroni, diciamo che il corpo и elettrizzato positivamente, perchй avendo perduto elettroni prevale in esso la carica positiva dei protoni del nucleo; se si aggiungono agli atomi di un corpo uno piщ elettroni, diciamo che si и elettrizzato negativamente, perchй ha acquistato un numero maggiore di elettroni.
Il mezzo piщ semplice per sottrarre o per aggiungere elettroni all’atomo di un corpo и lo strofinio.
L’elettricitа и pertanto un fenomeno che dipende dallo stato delle particelle elettricamente cariche che costituiscono gli atomi.
L’elettrizzazione si verifica anche senza il passaggio da un corpo all’altro.
Infatti se un corpo и elettrizzato negativamente ed и posto verso un altro corpo non elettrizzato attira le cariche positive dell’altro corpo sul lato piщ vicino a se stesso.
Questo tipo di elettrizzazione a distanza tra un corpo carico e uno neutro и sempre causa di attrazione e viene detta elettrizzazione per induzione
GEOFISICA
Nell’atmosfera terrestre c’e uno scambio di particelle elettriche, che sono causate dal caricamento negativo delle goccioline d’acqua all’interno di una nuvola temporalesca a causa del reciproco strofinio.
Esse si dispongono in maniera da causare un addensamento di cariche negative nella parte bassa della nube e di cariche positive nella parte alta della stessa.
Tra le cariche negative della nube e le cariche positive del suolo a esse piщ vicino si esercita un’attrazione via via crescente fino a quanto si ha il passaggio rapidissimo e violento delle cariche negative della nube al suolo per ristabilire lo stato di equilibrio elettrico: nasce appunto il fulmine.
Anche i lampi tra due nubi sono dovuti a trasferimento di elettroni da una all’altra.
Questo passaggio di elettroni и cosм rapido e intenso che porta l’aria all’incandescenza (il lampo) e ne fa espandere i gas che la formano (il tuono).
LA CORRENTE ELETTRICA
La corrente elettrica и il movimento dell’elettricitа in un corpo.
L’uomo per utilizzare questo forma di energia ha costruito i circuiti elettrici in cui deve essere presente un generatore, un conduttore e un utilizzatore.
I GENERATORI
Sono conduttori capaci di mantenere ai loro estremi una differenza di potenziale anche quando sono collegati da un conduttore .
Il 1° generatore utilizzato и la pila di Volta, essa era da un disco di rame e uno di zinco, separati da un disco di panno imbevuto in una soluzione acquosa di acido solforico: questi tre dischi ne formavano un elemento.
La pila era formata da piщ elementi appoggiati uno sopra l’altro.
Alle sue estremitа, o poli, vi era da una parte un disco di rame (polo positivo o anodo, indicato con il segno + ) e dall’altra un disco di zinco (polo negativo o catodo, indicato con il segno - ).
Il contatto tra i due poli era stabilito mediante due fili di rame attaccati rispettivamente uno allo zinco, all’estremitа inferiore della pila,e l’altro al rame all’estremitа superiore.
Quando il circuito veniva chiuso, si aveva si aveva il passaggio continuo di elettricitа (corrente elettrica), che circolava dal polo positivo al polo negativo e per ritornare al polo positivo di partenza, dopo aver attraversato l’interno della pila.
Le comuni pile di oggi dono altrettanti generatori di corrente. Esse sono contrassegnate con i segni + e – in corrispondenza dei poli, e in esse gli elettroni sono costretti a spostarsi perchй i poli hanno potenziale elettrico diverso.
CONDUTTORI:
Sono materiali in cui la corrente elettrica riesce a passare con facilitа a differenza degli isolanti che invece ostacolano il passaggio di queste cariche elettriche.
APPARECCHI UTILIZZATORI
Servono a trasformare l’energia elettrica in atre forme di energia.
Al posto degli utilizzatori si mettono dei materiali che impongono una forte resistenza, la quale и causata dagli elettroni in movimento che urtano in continuazione contro gli atomi del conduttore incontrando una resistenza durante il loro moto.
La resistenza elettrica и paragonabile all’attrito che si manifesta nella zona di contatto tra due corpi in moto reciproco: come una parte dell’energia posseduta dai due corpi viene dissipata in calore per vincere l’attrito, cosм una parte dell’energia elettrica che percorre un conduttore viene trasformata in calore.
A volte si inserisce un a resistenza nei circuiti elettrici per sfruttare l’energia che gli elettroni, ostacolati nel loro fluire sono costretti a cedere agli atomi in quel tratto ci circuito. La piщ comune applicazione di questo effetto и la lampadina a incandescenza, nella quale il riscaldamento prodotto nel filamento a causa del passaggio di corrente и tale da portare il filamento all’incandescenza, cosм che possa emettere luce(effetto luminoso).
Altre applicazioni dell’effetto termico della corrente sono il ferro da stiro, il tostapane, l’asciuga capelli, la stufa elettrica………
Anche l’elettricitа и misurabile. I valori che la descrivono sono diversi: intensitа, tensione, resistenza e potenza.
L’INTENSITA’
L’intensitа di una corrente elettrica и il numero di cariche elettriche (quantitа di elettricitа) che nell’unitа di tempo (in un secondo) passano attraverso la sezione di un conduttore. L’unitа di misura dell’intensitа di corrente и l’anpere A.
LA TENSIONE
In una pila elettrica vi и un accumulo d’elettroni in corrispondenza di uno dei due poli.
Per determinare questo accumulo и stato compiuto del lavoro: gli elettroni dunque hanno acquisto energia potenziale e il polo ove si trovano и descritto come zona ad alto potenziale (+).
Viceversa l’altro polo che non ha accumulato elettroni и descritto come zona a basso potenziale (-).
La differenza di potenziale tra i due elettrodi si chiama voltaggio (o tensione).
Il voltaggio и una misura dell’energia disponibile per muovere le cariche di un circuito.
Il voltaggio si misura in volt (V): piщ и alto, maggiore й il numero di elettroni che puт scorrere in un conduttore.
Il numero di elettroni che percorre un conduttore puт essere paragonato alla quantitа di acqua che scorre in una tubazione.
La quantitа d’acqua che puт fluire in una tubazione dipende dalla pressione dell’acqua.
Il voltaggio del conduttore si puт quindi paragonare alla pressione dell’acqua nella tubazione, per cui il numero di elettroni che puт fluire in un conduttore dipende dal voltaggio.
LA RESISTENZA
Il numero di elettroni che puт scorrere in un conduttore dipende anche dalla resistenza.
L’unitа di misura della resistenza и l’ohm ( ).
Molti sono i fattori che influenzano la resistenza di un conduttore:
1. La temperatura: quando la temperatura di un conduttore aumenta; aumenta anche la sua resistenza.
2. Il diametro del conduttore: aumentando il diametro del conduttore, la sua resistenza diminuisce.
3. La lunghezza :maggiore и la lunghezza del conduttore , maggiore и la sua resistenza. Questa maggiore resistenza puт essere paragonata all’acqua che scorre attraverso un lungo tubo: l’acqua scorre con maggiore difficoltа attraverso un tubo lungo che attraverso un tubo corto.
4. La natura del conduttore: gli elettroni scorrono piщ facilmente attraverso i materiali conduttori che attraverso quelli isolanti.
LE LEGGI DI OHM
L’intensitа, la resistenza e la tensione sono fra loro correlati.
Tale correlazioni и espressa nelle leggi di Ohm:
➢ a una tensione maggiore corrisponde un’intensitа maggiore (grandezze direttamente proporzionali).
➢ A una resistenza maggiore corrisponde una intensitа minore (grandezza inversamente proporzionale).
Queste leggi sono espresse con formule matematiche.

I = INTENSITA’
V = TENSIONE
R = RESISTENZA

I = V/R
V =I . R
R =V/I
R = RESISTENZA
K = COSTANTE VARIABILE SECONDO L’ORIGINE DEL MATERIALE
L = LUNGHEZZA FILO
S = SEZIONE O DIAMETRO DEL FILO
R = K . L/S
LA POTENZA
Non tutti i dispositivi elettrici usano la medesima energia.
Per esempio una stufa elettrica, che emette una maggior quantitа di calore, nello stesso intervallo di tempo, consuma piщ corrente di un asciuga capelli che funziona per lo stesso periodo di tempo.
Quanta piщ corrente usa un apparecchio elettrico tanto maggiore и l’energia elettrica che consuma. La quantitа di energia elettrica consumata nell’unitа di tempo (secondo) si chiama potenza elettrica.
Dunque la potenza della stufa elettrica и maggiore di quella dell’asciuga capelli poichй la stufa utilizza una quantitа maggiore di energia al secondo rispetto all’asciuga capelli.
La potenza si misura in watt (W ).
La potenza и il lavoro che si compie in rapporto al tempo che si impiega a compierlo; poichй il lavoro и energia; possiamo considerare la potenza come l’energia trasformata nell’unitа di tempo.
Perciт se la lampadina “consuma” energia elettrica in ragione di 60 j/s , trasforma a ogni secondo 60 j di energia elettrica in energia luminosa e energia termica: ha quindi una potenza di 60 w. Piщ alto и il numero di watt, piщ intensa и la luce emessa dalla lampadina e maggiore и l’energia che consuma.
Un’ unitа di potenza superiore al watt и il chilowatt (kw). Un chilowatt и un’unitа di misura di potenza uguale a 1000 watt;ossia 1000 j/s.
L’ENERGIA NUCLEARE
Gli atomi di un elemento hanno tutti uno stesso numero di protoni (numero atomico ) e di elettroni, quindi uguali proprietа fisiche e chimiche.
Possono perт non avere nel loro nucleo lo stesso numero di neutroni e quindi avere masse diverse.
Gli atomi di uno stesso elemento che hanno un diverso numero di neutroni si chiamano isotopi e si distinguono per avere un numero di massa diverso.
L’uranio-235 (U235), per esempio, ha 92 protoni (e 92 elettroni) e 143 neutroni; l’uranio-238 (U238) ha ugualmente 92 protoni (e 92 elettroni) ma 146 neutroni.
Le proprietа chimiche dei vari isotopi di uno stesso elemento sono uguali, ma varia la stabilitа del loro nucleo atomico; quanto piщ il nucleo di un isotopo и instabile, tanto piщ velocemente si disgrega: in questo consiste il fenomeno della radioattivitа.
Il nucleo di una sostanza radioattiva puт emettere tre tipi di radiazioni che vengono indicate con le lettere greche (alfa), (beta), (gamma).
La radiazione alfa и costituita da particelle formate da due protoni e due neutroni, che hanno quindi complessivamente una carica elettrica positiva. Le particelle della radiazione alfa possono essere fermate da un foglio di carta di giornale.
La radiazione beta и costituita da elettroni, con carica elettrica negativa e velocitа molto elevata.
La radiazione gamma и invece un particolare tipo di radiazione molto penetrante, cosм penetrante da poter superare lastre di piombo spesse vari centimetri.
Quando il nucleo di un atomo emette radiazioni, varia il numero di cariche elettriche che lo costituiscono; si origina quindi un nuovo atomo, con caratteristiche chimiche diverse da quelle dell’atomo di partenza.
Sappiamo infatti che le caratteristiche chimiche di un atomo dipendono esclusivamente dal numero delle cariche elettriche, cioи dal numero delle cariche elettriche, cioи dal numero di protoni, presenti nel nucleo. Quando un atomo si trasforma in un altro, emettendo radiazioni, si parla di decadimento radioattivo.
LA FISSIONE E LA FUSIONE NUCLEARE
La disgregazione del nucleo di un isotopo puт essere provocato anche artificialmente se lo si colpisce con un neutrone accelerato con velocitа opportuna. Nel caso, per esempio, dell’uranio (U235) esso viene spaccato in due frammenti, piщ o meno delle stesse dimensioni, e in due o tre neutroni secondari.Questo fenomeno si chiama fissione nucleare.
Sia i frammenti sia i neutroni cosм prodotti hanno un’elevata velocitа, possiedono pertanto energia cinetica. Con la rottura del nucleo di uranio si ha quindi liberazione di energia cinetica.
I frammenti prodotti dalla fissione sono nuclei di atomi radioattivi, il cui numero atomico и circa la metа di quello dell’uranio. Il peso complessivo dei prodotti della fissione и minore di quello iniziale del nucleo di uranio piщ il neutrone: si ha cioи la perdita di una certa quantitа di materia. Dove va a finire questa materia?
La risposta a questa domanda era nata ancor prima che fosse conosciuto il fenomeno della fissione; essa и contenuta nella teoria della relativitа elaborata da Einstein agli inizi del secolo. Secondo questa teoria и possibile trasformare la materia in energia e l’energia in materia secondo la relazione:
E = m . c
Dove M и la quantitа di materia e C и la velocitа della luce (sappiamo che C vale all’incirca 300000 km/s).
Dunque, secondo questa teoria, la materia non и altro che un “grumo” d’energia molto concentrata e localizzata.
Il fenomeno della fissione nucleare costituisce un’importante verifica della relazione di equivalenza fra materie ed energia.
Proviamo ora a rispondere al seguente problema: quanta energia и possibile produrre dalla fissione di 1 g di uranio?
In seguito alla fissione, un milligrammo di materia, cioи 0,001 g, si trasforma in energia. A questa quantitа di materia, secondo la relazione di Einstein, corrisponde l’energia:
E = 10 kg . (3 . 10 ) m/s
(per avere l4energia espressa in joule и necessario esprimere la quantitа di materia in chilogrammi e la velocitа della luce in metri al secondo).
E’ chiaro allora che la quantitа di energia che и possibile ottenere dalla materia и enorme. Eseguendo il calcolo troviamo che l’energia prodotta da 0,001 g di materia equivale a 90 miliardi di joule!
Abbiamo visto che con la fissione si producono due o tre neutroni secondari.
Questo fatto и molto importante perchй rende possibile lo stabilirsi di una reazione a catena, cioи i neutroni prodotti da una fissione possono, a loro volta, produrre altre fissioni.
E’ questo meccanismo che rende possibile lo sfruttamento del fenomeno per produrre energia su larga scala.
Quando la reazione a catena non и controllata e l’uranio и in quantitа superiore ad un certo valore critico, il fenomeno diventa “esplosivo”: come accade in una bomba atomica. Se la reazione a catena viene invece controllata, facendo in modo che in media non piщ di neutrone secondario produca una nuova fissione, и possibile utilizzare l’energia prodotta.
Un altro tipo di reazione nucleare и la reazione di fusione che consiste nell’unione di due nuclei di deuterio, isotopo dell’idrogeno, per formare un solo nucleo di elio con liberazione di energia.
Anche in questa reazione si ha la trasformazione di una piccola quantitа di materia in energia, che appare sotto forma di energia cinetica del nucleo di elio.
Affinchй possa avvenire la fusione и necessario che i due nuclei di partenza siano dotati di una velocitа elevata, per vincere la notevole forza di repulsione fra i due protoni. Tale velocitа si ottiene portando i gas di deuterio a una temperatura elevatissima, di milioni di gradi, e questo, per ora, avviene in natura solo all’interno delle stelle.
Mentre i fisici da tempo sono riusciti a controllare la fissione nucleare, utilizzandola anche per scopi pacifici come la produzione di energia elettrica, per quanto riguarda il processo di fusione nucleare si и ancora in fase sperimentale, ma si ipotizza che in un futuro non troppo lontano si possano realizzare centrali a fusione per la produzione di energia elettrica.