SPROLOQUIO N. 2 da www.arisesto.netChe cosa è l'elettricità ?
Chi ha conoscenze di fisica nucleare e di meccanica quantistica è pregato di saltare questo scritto per due ragioni; l' argomento
gli è più che noto e troverebbe l'esposizione troppo ... terra terra.
Tutta la materia che ci circonda e quella di cui siamo fatti è costituita da un'insieme di elementi semplici. Tali elementi esistono
sia isolati sia come componenti di una combinazione di più elementi. Ogni elemento semplice è un atomo e in natura esistono
92 atomi diversi. Il primo, quello dell'idrogeno, con un solo elettrone orbitante attorno al nucleo (disegno 1) e il 92esimo, quello
dell'uranio, con 92 elettroni orbitanti. Sappiamo, allo stato attuale della conoscenza, che il nucleo di un atomo è costituito da
almeno una dozzina di particelle diverse, ma queste lasciamole ai fisici e ai matematici. A noi, per comprendere i principi
fondamentali dell'elettricità, basta sapere che nel nucleo dell'atomo vi è una particella con carica elettrica positiva chiamata
protone e che l'elettrone, la particella orbitante attorno al nucleo, ha carica elettrica negativa. Le due cariche, uguali e contrarie,
si annullano e l'atomo è a potenziale elettrico zero. Vedi ancora il disegno 1.
Nel disegno 2 vi sono quattro elettroni orbitanti attorno al nucleo. Il potenziale elettrico dell'atomo è sempre zero perchè nel
nucleo vi sono 4 protoni i quali, oltre che annullare la carica degli elettroni, aumentano la massa del nucleo per compensare
anche la maggiore massa totale degli elettroni. Gli elettroni orbitano attorno al nucleo in una condizione di equilibrio tra
l'attrazione del nucleo e la forza centrifuga, è evidente che gli elettroni delle orbite esterne sono quelli più debolmente vincolati
(attratti) dal nucleo. Nel disegno 3 vi sono tre elettroni orbitanti su orbite ugualmente distanti dal nucleo anche se su piani diversi.
In questo esempio gli elettroni sono ugualmente vincolati dal nucleo.
Negli elementi i cui atomi hanno gli elettroni esterni debolmente vincolati al nucleo, vi è un continuo scambio di elettroni tra le
orbite esterne di atomi adiacenti e questi elementi sono buoni conduttori elettrici o cattivi isolanti, mentre gli atomi con elettroni
fortemente vincolati al nucleo sono di elementi pessimi conduttori o addirittura isolanti. Proseguendo vedremo meglio queste
caratteristiche.
Abbiamo visto che un atomo in condizioni naturali ha potenziale elettrico zero, ma se in qualche modo l'elettrone viene tolto
dalla sua orbita avremo da un lato un nucleo che, per la presenza del protone, ha carica elettrica positiva e dall'altra avremo un
elettrone con carica elettrica negativa. In modo pedestre (troppo !) abbiamo dimostrato come sia possibile ottenere una differenza
di potenziale, convenzionalmente indicata con le sole iniziali d.d.p.. In un materiale (elemento) dove gli elettroni sono debolmente
vincolati al nucleo, in continuo scambio e con disposizioni casuali possiamo, con sistemi chimici, termici, magnetici, "spingere,
pompare" una quantità notevole di elettroni lungo un materiale filiforme buon conduttore ed avere una d.d.p. utilizzabile
sfruttando l'energia degli elettroni nel loro movimento verso nuclei senza (o con pochi) elettroni. Alcune analogie con certi
circuiti idraulici renderà meglio l'idea.
Nel disegno 4 abbiamo una pompa collegata ad un circuito chiuso pieno d'acqua. Se la pompa è ferma l'acqua non si muoverà,
ma se la pompa viene fatta girare in senso antiorario l'acqua scorrerà nel senso indicato dalle frecce. Premesso che il senso di
rotazione della pompa è stato scelto in modo arbitrario, rimane il fatto che l'acqua scorrerà nel tubo perchè da un lato verrà spinta
(pompata) dalla pompa mentre dall'altro lato verrà aspirata dalla pompa stessa, in altri termini da un lato vi è pressione, dall'altro
vi è depressione.La potenza richiesta (alla pompa) è determinata dalla massa d'acqua e dall' attrito del liquido sulla superficie
interna dei tubi. Nel disegno 5 abbiamo un'altro circuito chiuso, ma l'acqua, spinta dalla pompa, trova le palette di una girante e,
per farla girare, perde una certa energia prima di tornare all'ingresso della pompa. In altri termini, se è vero che con un circuito
come quello descritto si ottiene una trasmissione di energia meccanica è anche vero che la potenza richiesta (alla pompa) sarà
superiore al caso precedente data la combinazione di massa d'acqua, attrito sulla superficie interna dei tubi, massa della girante
e attriti sul suo perno. Tale combinazione frena, rallenta, oppone resistenza allo scorrere dell'acqua.
I disegni 6 e 5bis sono stati affiancati per evidenziare le analogie citate, ma è opportuno, prima di proseguire, un accenno alla
simbologia convenzionalmente adottata in tutto il mondo per rappresentare circuiti elettrici o elettronici. Cominciamo precisando
che il "disegno 6" è in realtà uno schema elettrico raffigurante una pila da 1,5 V, due fili, o meglio due conduttori, e una lampadina
a incandescenza. In alto vi sono due linee parallele, una lunga e sottile e l'altra corta e di spessore maggiore. Queste due linee
simboleggiano una pila di un solo elemento da 1,5V con il polo positivo corrispondente alla linea lunga e sottile mentre il polo
negativo è indicato dalla linea corta e di spessore maggiore. Nello schema 6 i segni + e - sono un di più messi per evidenziare
ulteriormente quanto detto. Dai due poli della pila partono due conduttori (fili metallici) che scendono e si collegano, in posizioni
diametralmente opposte, al simbolo di una lampadina a incandescenza.Tale simbolo è costituito da un cerchio con inscritta
una X. Tornando agli elettroni abbiamo visto che è possibile, in questo caso con un sistema chimico, "spingerli, pomparli" lungo
un conduttore filiforme lasciando dei nuclei senza, o con pochi, elettroni. In analogia con il disegno 4 si può dire che da un lato vi
è un "eccesso" di elettroni (pressione dell'acqua) dall'altra vi è una carenza di elettroni (depressione). Ricordandoci che l'elettrone
ha carica elettrica negativa mentre il nucleo, per la presenza dei protoni, ha carica elettrica positiva è evidente che dove c'è
eccedenza di elettroni avremo un polo negativo mentre dove vi è carenza di elettroni avremo un polo positivo. Schema 6, sul polo
negativo abbiamo un eccesso di elettroni,disegno 5bis,all'uscita della pompa abbiamo una pressione. Schema 6,sul polo positivo
abbiamo una carenza di elettroni, disegno 5bis, all'ingresso della pompa abbiamo una depressione. Gli elettroni condotti dal filo
arrivano alla lampadina, cosi come l'acqua condotta dal tubo arriva alla girante. Come la girante oppone una resistenza al flusso
dell'acqua così la lampadina oppone resistenza al "flusso" degli elettroni. Vedremo in seguito le differenze, i come e i perchè.
Cominciamo a chiarire un possibile equivoco. Un elettrone tolto dalla sua orbita e "spinto" in un conduttore non ritorna, o
comunque è poco probabile, nella stessa orbita. Osservando partite di bocce o di biliardo capita spesso di notare delle bocciate
dove la boccia lanciata, colpendo in pieno un'altra boccia,si immobilizza mentre la boccia colpita parte esattamente nella stessa
direzione e con la stessa velocità. Nell'attimo dell'impatto l'energia che ha la prima boccia viene ceduta instantaneamente alla
boccia colpita e la prima boccia si immobilizza. Un elettrone può colpire un altro elettrone cedendogli la sua energia ed entrando
nell'orbita dell'elettrone colpito il quale proiettato altrove potrebbe colpire altro elettrone allo stesso modo o colpire non in pieno
con il risultato, come con le bocce o il biliardo, di prendere direzioni diverse e con energie diverse. E' evidente che un elettrone
colpito non percorre molta strada, nella maggioranza dei casi entra nell'orbita di un atomo adiacente dopo aver urtato l'elettrone
che precedentemente occupava quell'orbita, non solo ma un elettrone può entrare in un atomo con energia sufficiente a strappare
più elettroni dalle rispettive orbite. Da quanto esposto sin dall'inizio è evidente che in un circuito gli elettroni non si spostano
da soli, ma debbono essere messi in movimento con sistemi chimici,magnetici,termici,luminosi,meccanici, ecc. Questi sistemi,
detti generatori elettrici, sono in definitiva dei convertitori di energia in quanto convertono (o trasformano) una energia di altra
specie in energia elettrica, tale energia è la forza elettromotrice ( f.e.m.) che determina l'eccesso di elettroni su un polo rispetto
a un' altro, come già detto sopra, ed è la d.d.p. da applicare ad un circuito dove il movimento di cariche elettriche comporta una
corrente elettrica.
Le grandezze che si debbono poter quantificare, e quindi misurare, sono; il numero delle cariche elettriche che passano in un
conduttore in un dato tempo, l'intensità della corrente elettrica che può passare in un conduttore, la d.d.p. che si ha ai capi di
un generatore e la resistenza che un circuito presenta al passaggio della corrente elettrica. Anche in questo caso vi sono delle
analogie con circuiti idraulici che aiutano a capire.
DISEGNO 7
P = pressione dell'acqua R = tubo di piccolo diametro che offre una certa
I = portata del tubo resistenza allo scorrimento dell'acqua.
Q = quantità d'acqua, che in un dato tempo è passata per R.
Nel disegno 7 vi è un serbatoio con dell'acqua che esercita una certa pressione verso il tubo. Tale pressione è analoga alla
massa di cariche elettriche (elettroni) presenti sul polo negativo di un generatore elettrico, ossia la d.d.p. Tale d.d.p. si
misura in Volt ( V ). Il tubo, indicato con R, oppone una certa resistenza al deflusso dell'acqua così come un conduttore offre
una certa resistenza al passaggio delle cariche elettriche, tale resistenza si indica con R e l'unità di misura è l'Ohm (). La
portata del tubo, indicata con I, è analoga all'intensità della corrente elettrica che può passare in un conduttore, viene indicata
appunto con I e l'unità di misura è l' Ampere ( A ). In Q vi è la quantità d'acqua che in un dato tempo è passata all'interno del
tubo R analogamente alla quantità di cariche elettriche che in un dato tempo passano in un conduttore. Tale quantità è indicata
con Q ed è espressa in Coulomb. Si può dire che il coulomb è la quantità di elettricità mentre l'ampere è l' intensità della corrente
e tra le due unità esistono le seguenti relazioni: 1 ampere equivale a 1 coulomb/sec., 1 coulomb equivale a 1 ampere x sec.
(1 coulomb corrisponde alla carica totale di 6,28 x 10 alla 18ma elettroni) Da quanto esposto appare evidente che esiste
una relazione tra le grandezze elettriche, relazione espressa da una semplice, ma rigorosamente esatta, legge di Ohm, così
chiamata in onore del professore di fisica e matematica che la scoprì nel 1827. Tale legge si è dimostrata esatta al punto che
tutt'ora si usa il termine assoluto.
1 V assoluto è la d.d.p. necessaria a far circolare una corrente di 1 A assoluto in una R di 1 assoluto, di coseguenza
la I è uguale al rapporto tra f.e.m. e la R. La legge si esprime con la relazione: I = V / R Questa semplice, ma fondamentale,
formula consente di calcolare una delle tre grandezze noti i valori delle altre due. Prendendo ad esempio lo schema 6, nota la
tensione ( V ) e nota la corrente ( I ) si vuole conoscere la resistenza della lampadina ( R ) : R = V / I ancora, nota la R e
nota la I si vuole conoscere la V : V = R x I Per ottenere un flusso di elettroni in un circuito abbiamo visto che è necessaria
una f.e.m. e una I. Queste due grandezze debbono avere la potenza necessaria a far circolare una corrente in un circuito con una
data R. L'unità di misura della potenza è il watt ( W ) ed è il valore della potenza data da una f.e.m. di 1V ad un circuito dove
faccia circolare una corrente di 1A . La potenza è quindi data dal prodotto della f.e.m. presente nel circuito per la I che circola
nel circuito stesso. L'espressione è quindi W = V x I
Due curiosità. In molti campi si è cercato, e si cerca, di realizzare dei campioni primari (riferimenti).
Il campione di f.e.m. è la pila Weston che, a 20°C e a circuito aperto, presenta sui poli una d.d.p. di 1,0183 V, il sistema
MKS definisce l'ampere internazionale quella corrente che attraversando una soluzione di nitrato d'argento fà depositare sul
catodo 1,118 mg. di argento al secondo.
Nel disegno 2 vi sono quattro elettroni orbitanti attorno al nucleo. Il potenziale elettrico dell'atomo è sempre zero perchè nel
nucleo vi sono 4 protoni i quali, oltre che annullare la carica degli elettroni, aumentano la massa del nucleo per compensare
anche la maggiore massa totale degli elettroni. Gli elettroni orbitano attorno al nucleo in una condizione di equilibrio tra
l'attrazione del nucleo e la forza centrifuga, è evidente che gli elettroni delle orbite esterne sono quelli più debolmente vincolati
(attratti) dal nucleo. Nel disegno 3 vi sono tre elettroni orbitanti su orbite ugualmente distanti dal nucleo anche se su piani diversi.
In questo esempio gli elettroni sono ugualmente vincolati dal nucleo.
Negli elementi i cui atomi hanno gli elettroni esterni debolmente vincolati al nucleo, vi è un continuo scambio di elettroni tra le
orbite esterne di atomi adiacenti e questi elementi sono buoni conduttori elettrici o cattivi isolanti, mentre gli atomi con elettroni
fortemente vincolati al nucleo sono di elementi pessimi conduttori o addirittura isolanti. Proseguendo vedremo meglio queste
caratteristiche.
Abbiamo visto che un atomo in condizioni naturali ha potenziale elettrico zero, ma se in qualche modo l'elettrone viene tolto
dalla sua orbita avremo da un lato un nucleo che, per la presenza del protone, ha carica elettrica positiva e dall'altra avremo un
elettrone con carica elettrica negativa. In modo pedestre (troppo !) abbiamo dimostrato come sia possibile ottenere una differenza
di potenziale, convenzionalmente indicata con le sole iniziali d.d.p.. In un materiale (elemento) dove gli elettroni sono debolmente
vincolati al nucleo, in continuo scambio e con disposizioni casuali possiamo, con sistemi chimici, termici, magnetici, "spingere,
pompare" una quantità notevole di elettroni lungo un materiale filiforme buon conduttore ed avere una d.d.p. utilizzabile
sfruttando l'energia degli elettroni nel loro movimento verso nuclei senza (o con pochi) elettroni. Alcune analogie con certi
circuiti idraulici renderà meglio l'idea.
Nel disegno 4 abbiamo una pompa collegata ad un circuito chiuso pieno d'acqua. Se la pompa è ferma l'acqua non si muoverà,
ma se la pompa viene fatta girare in senso antiorario l'acqua scorrerà nel senso indicato dalle frecce. Premesso che il senso di
rotazione della pompa è stato scelto in modo arbitrario, rimane il fatto che l'acqua scorrerà nel tubo perchè da un lato verrà spinta
(pompata) dalla pompa mentre dall'altro lato verrà aspirata dalla pompa stessa, in altri termini da un lato vi è pressione, dall'altro
vi è depressione.La potenza richiesta (alla pompa) è determinata dalla massa d'acqua e dall' attrito del liquido sulla superficie
interna dei tubi. Nel disegno 5 abbiamo un'altro circuito chiuso, ma l'acqua, spinta dalla pompa, trova le palette di una girante e,
per farla girare, perde una certa energia prima di tornare all'ingresso della pompa. In altri termini, se è vero che con un circuito
come quello descritto si ottiene una trasmissione di energia meccanica è anche vero che la potenza richiesta (alla pompa) sarà
superiore al caso precedente data la combinazione di massa d'acqua, attrito sulla superficie interna dei tubi, massa della girante
e attriti sul suo perno. Tale combinazione frena, rallenta, oppone resistenza allo scorrere dell'acqua.
I disegni 6 e 5bis sono stati affiancati per evidenziare le analogie citate, ma è opportuno, prima di proseguire, un accenno alla
simbologia convenzionalmente adottata in tutto il mondo per rappresentare circuiti elettrici o elettronici. Cominciamo precisando
che il "disegno 6" è in realtà uno schema elettrico raffigurante una pila da 1,5 V, due fili, o meglio due conduttori, e una lampadina
a incandescenza. In alto vi sono due linee parallele, una lunga e sottile e l'altra corta e di spessore maggiore. Queste due linee
simboleggiano una pila di un solo elemento da 1,5V con il polo positivo corrispondente alla linea lunga e sottile mentre il polo
negativo è indicato dalla linea corta e di spessore maggiore. Nello schema 6 i segni + e - sono un di più messi per evidenziare
ulteriormente quanto detto. Dai due poli della pila partono due conduttori (fili metallici) che scendono e si collegano, in posizioni
diametralmente opposte, al simbolo di una lampadina a incandescenza.Tale simbolo è costituito da un cerchio con inscritta
una X. Tornando agli elettroni abbiamo visto che è possibile, in questo caso con un sistema chimico, "spingerli, pomparli" lungo
un conduttore filiforme lasciando dei nuclei senza, o con pochi, elettroni. In analogia con il disegno 4 si può dire che da un lato vi
è un "eccesso" di elettroni (pressione dell'acqua) dall'altra vi è una carenza di elettroni (depressione). Ricordandoci che l'elettrone
ha carica elettrica negativa mentre il nucleo, per la presenza dei protoni, ha carica elettrica positiva è evidente che dove c'è
eccedenza di elettroni avremo un polo negativo mentre dove vi è carenza di elettroni avremo un polo positivo. Schema 6, sul polo
negativo abbiamo un eccesso di elettroni,disegno 5bis,all'uscita della pompa abbiamo una pressione. Schema 6,sul polo positivo
abbiamo una carenza di elettroni, disegno 5bis, all'ingresso della pompa abbiamo una depressione. Gli elettroni condotti dal filo
arrivano alla lampadina, cosi come l'acqua condotta dal tubo arriva alla girante. Come la girante oppone una resistenza al flusso
dell'acqua così la lampadina oppone resistenza al "flusso" degli elettroni. Vedremo in seguito le differenze, i come e i perchè.
Cominciamo a chiarire un possibile equivoco. Un elettrone tolto dalla sua orbita e "spinto" in un conduttore non ritorna, o
comunque è poco probabile, nella stessa orbita. Osservando partite di bocce o di biliardo capita spesso di notare delle bocciate
dove la boccia lanciata, colpendo in pieno un'altra boccia,si immobilizza mentre la boccia colpita parte esattamente nella stessa
direzione e con la stessa velocità. Nell'attimo dell'impatto l'energia che ha la prima boccia viene ceduta instantaneamente alla
boccia colpita e la prima boccia si immobilizza. Un elettrone può colpire un altro elettrone cedendogli la sua energia ed entrando
nell'orbita dell'elettrone colpito il quale proiettato altrove potrebbe colpire altro elettrone allo stesso modo o colpire non in pieno
con il risultato, come con le bocce o il biliardo, di prendere direzioni diverse e con energie diverse. E' evidente che un elettrone
colpito non percorre molta strada, nella maggioranza dei casi entra nell'orbita di un atomo adiacente dopo aver urtato l'elettrone
che precedentemente occupava quell'orbita, non solo ma un elettrone può entrare in un atomo con energia sufficiente a strappare
più elettroni dalle rispettive orbite. Da quanto esposto sin dall'inizio è evidente che in un circuito gli elettroni non si spostano
da soli, ma debbono essere messi in movimento con sistemi chimici,magnetici,termici,luminosi,meccanici, ecc. Questi sistemi,
detti generatori elettrici, sono in definitiva dei convertitori di energia in quanto convertono (o trasformano) una energia di altra
specie in energia elettrica, tale energia è la forza elettromotrice ( f.e.m.) che determina l'eccesso di elettroni su un polo rispetto
a un' altro, come già detto sopra, ed è la d.d.p. da applicare ad un circuito dove il movimento di cariche elettriche comporta una
corrente elettrica.
Le grandezze che si debbono poter quantificare, e quindi misurare, sono; il numero delle cariche elettriche che passano in un
conduttore in un dato tempo, l'intensità della corrente elettrica che può passare in un conduttore, la d.d.p. che si ha ai capi di
un generatore e la resistenza che un circuito presenta al passaggio della corrente elettrica. Anche in questo caso vi sono delle
analogie con circuiti idraulici che aiutano a capire.
DISEGNO 7
P = pressione dell'acqua R = tubo di piccolo diametro che offre una certa
I = portata del tubo resistenza allo scorrimento dell'acqua.
Q = quantità d'acqua, che in un dato tempo è passata per R.
Nel disegno 7 vi è un serbatoio con dell'acqua che esercita una certa pressione verso il tubo. Tale pressione è analoga alla
massa di cariche elettriche (elettroni) presenti sul polo negativo di un generatore elettrico, ossia la d.d.p. Tale d.d.p. si
misura in Volt ( V ). Il tubo, indicato con R, oppone una certa resistenza al deflusso dell'acqua così come un conduttore offre
una certa resistenza al passaggio delle cariche elettriche, tale resistenza si indica con R e l'unità di misura è l'Ohm (
). La
portata del tubo, indicata con I, è analoga all'intensità della corrente elettrica che può passare in un conduttore, viene indicata
appunto con I e l'unità di misura è l' Ampere ( A ). In Q vi è la quantità d'acqua che in un dato tempo è passata all'interno del
tubo R analogamente alla quantità di cariche elettriche che in un dato tempo passano in un conduttore. Tale quantità è indicata
con Q ed è espressa in Coulomb. Si può dire che il coulomb è la quantità di elettricità mentre l'ampere è l' intensità della corrente
e tra le due unità esistono le seguenti relazioni: 1 ampere equivale a 1 coulomb/sec., 1 coulomb equivale a 1 ampere x sec.
(1 coulomb corrisponde alla carica totale di 6,28 x 10 alla 18ma elettroni) Da quanto esposto appare evidente che esiste
una relazione tra le grandezze elettriche, relazione espressa da una semplice, ma rigorosamente esatta, legge di Ohm, così
chiamata in onore del professore di fisica e matematica che la scoprì nel 1827. Tale legge si è dimostrata esatta al punto che
tutt'ora si usa il termine assoluto.
1 V assoluto è la d.d.p. necessaria a far circolare una corrente di 1 A assoluto in una R di 1