Elettricità

Lelettricità è l'insieme dei fenomeni fisici associati alla presenza e al moto della materia che ha una proprietà di carica elettrica. L'elettricità è correlata al magnetismo, essendo entrambi parte del fenomeno elettromagnetismo, come descritto dalle equazioni di Maxwell. Vari fenomeni comuni sono legati all'elettricità, inclusi fulmini, elettricità statica, riscaldamento elettrico, scariche elettriche eccetera.

La presenza di una carica elettrica, che può essere positiva o negativa, produce un campo elettrico. Il movimento delle cariche elettriche è una corrente elettrica e produce un campo magnetico.

Quando una carica viene posta in un luogo con un campo elettrico diverso da zero, una forza agirà su di essa. L'entità di questa forza è data dalla legge di Coulomb. Se la carica si muove, il campo elettrico farebbe lavoro sulla carica elettrica. Si può quindi parlare di potenziale elettrico in un certo punto dello spazio, che è uguale al lavoro svolto da un agente esterno nel trasportare un'unità di carica positiva da un punto di riferimento scelto arbitrariamente a quel punto senza alcuna accelerazione ed è tipicamente misurato in volt.

Su scala macroscopica i fenomeni coinvolgono una delle interazioni fondamentali, l'interazione elettromagnetica, con particolare riferimento all'elettrostatica. A livello microscopico, tali fenomeni sono riconducibili all'interazione tra particelle cariche su scala molecolare: i protoni nel nucleo di atomi o molecole ionizzate, e gli elettroni. I tipici effetti macroscopici di tali interazioni sono le correnti elettriche e l'attrazione o repulsione di corpi elettricamente carichi.

L'elettricità è responsabile di ben noti fenomeni come il fulmine o l'elettrizzazione, e rappresenta l'elemento essenziale di alcune applicazioni industriali come l'elettronica e l'elettrotecnica attraverso segnali elettrici. Divenuta contemporaneamente il più diffuso mezzo di trasporto per l'energia nelle reti elettriche e uno dei più diffusi mezzi di trasporto per l'informazione nelle telecomunicazioni (comunicazioni elettriche), l'elettricità è diventata il simbolo del mondo moderno: illumina le abitazioni, fa funzionare le fabbriche e rende vicini i popoli più lontani.

Storia

I primi studi dei fenomeni risalgono probabilmente al filosofo greco Talete (600 a.C.), che studiò le proprietà elettriche della resina fossile di ambra, che se sfregata attraeva altri pezzetti di materia: il suo nome greco era electron (ἤλεκτρον), e da questo termine deriva la parola «elettricità». I greci antichi compresero che l'ambra era in grado di attrarre oggetti leggeri, come i capelli, e che un ripetuto strofinio dell'ambra stessa poteva addirittura dare origine a scintille.

Solo però a partire dal XVIII secolo, con gli studi di Benjamin Franklin, lo studio dell'elettricità si è sviluppato verso una concreta applicazione pratica. Le osservazioni di Franklin posero le basi per la teorizzazione dell'elettricità e dei diversi fenomeni elettrici connessi da parte degli scienziati che seguirono, a cominciare da Michael Faraday, Luigi Galvani, Alessandro Volta, André-Marie Ampère e Georg Simon Ohm.

Carica elettrica

La carica elettrica è una di quelle entità che può essere misurata ed utilizzata, ma non può essere definita in termini facilmente comprensibili, perché, come per lo spazio, il tempo e la massa, non è facile darne una esauriente definizione. Un oggetto dotato di una carica elettrica esercita una forza a una certa distanza su un altro oggetto avente una carica elettrica. Contrariamente alla forza di gravità, la quale fa sì che un oggetto ne attragga un altro, gli oggetti con una carica elettrica possono sia attrarsi sia respingersi l'un l'altro. Inoltre, la gravità è in rapporto diretto con la massa degli oggetti in questione, mentre la carica elettrica e la massa non sono in rapporto quando gli oggetti sono immobili.

Gli esperimenti dimostrano che ci sono due diversi tipi di carica elettrica. Il primo di questi è denominato carica positiva o carica +, ed è associato ai nuclei degli atomi di tutte le specie chimiche. Il secondo è la carica negativa o -, ed è proprio di tutti gli elettroni che circondano il nucleo dell'atomo. In genere, la carica positiva del nucleo è esattamente uguale alla somma delle cariche negative degli elettroni che lo circondano.

Il verso delle forze, che agiscono tra gli oggetti aventi una carica elettrica, dipende dal tipo di carica su questi oggetti. Ad esempio, se due oggetti hanno lo stesso tipo di carica, siano entrambi positivi o entrambi negativi, gli oggetti si respingono. Quando i due oggetti hanno carica opposta, essi si attraggono l'uno con l'altro. Questa forza elettrica d'attrazione, tra i nuclei positivi e gli elettroni negativi, lega questi ultimi al nucleo.

La quantità complessiva di cariche elettriche resta praticamente costante nel mondo. Poiché i due tipi di carica hanno effetti opposti, il risultato normale complessivo è di neutralità elettrica, o apparente mancanza di carica. Pertanto, al fine di osservare gli effetti di carica in quantità abbastanza grandi di materia, sarà necessario turbare l'equilibrio normale e produrre un eccesso di carica nell'oggetto nel modo voluto.

Carica elettrica nella materia

Numerose sostanze solide hanno una struttura cristallina, cioè i loro atomi sono disposti in un reticolo regolare tridimensionale. Tuttavia in alcune sostanze, gli elettroni che circondano questi nuclei non sono legati strettamente. In certe condizioni, è possibile sia aggiungere che sottrarre un buon numero di elettroni senza turbare seriamente la struttura cristallina. In altre parole, i nuclei atomici tendono a restare fissi nella loro posizione, ma gli elettroni si possono spesso muovere. Per dare una carica negativa, si dovrà solo aggiungere elettroni in eccesso. Tuttavia, in relazione alla carica positiva e negativa, si deve ricordare che il più e il meno sono segni indicativi di uno stato elettrico, non indicatori di operazioni matematiche, come nell'aritmetica o nell'algebra. Quando si vede un segno negativo applicato ad una carica, si deve ricordare che esso sta ad indicare solamente un numero in eccesso di elettroni, e non ha niente a che vedere con una sottrazione.

Dal punto di vista elettrico, è possibile classificare, grosso modo, tutte le sostanze componenti la materia in due grandi gruppi. I tipi di sostanze che contengono un numero relativamente grande di elettroni liberi, che si possono muovere da un atomo all'altro, sono denominati conduttori elettrici. Le sostanze nelle quali gli elettroni non sono liberi di muoversi sotto una sollecitazione moderata sono denominate isolanti elettrici. La maggior parte dei metalli è conduttrice di elettricità sebbene in modo diverso dai conduttori usati dal settore chimico, come le soluzioni acquose degli acidi, delle basi o dei sali. D'altro canto, la maggior parte delle sostanze non metalliche è elettricamente isolante. Non esiste né un conduttore perfetto né un isolante perfetto, ma in pratica, un certo numero di sostanze serve assai bene a questo scopo. Ad esempio, l'oro, l'argento, il rame, l'alluminio e persino l'acciaio sono spesso adatti come conduttori, mentre il vetro, la porcellana, la maggior parte delle materie plastiche, l'aria secca e il legno sono buoni isolanti. Negli ultimi decenni lo studio della materia ha portato alla creazione di materiali che, in condizioni estreme, riescono a divenire superconduttori.

Concetti collegati Il concetto di elettricità è spesso associato a fenomeni o entità ben precise, quali: Carica elettrica: proprietà fondamentale caratteristiche di alcune particelle subatomiche per cui si creano interazioni elettromagnetiche. La materia caricata elettricamente crea o modifica un campo elettrico. Campo elettrico: effetto prodotto da una carica elettrica che esercita una forza su un oggetto elettrizzato nelle vicinanze. Potenziale elettrico: energia potenziale di una carica unitaria associata ad una determinata posizione in un campo elettrico (spesso noto come voltaggio). Corrente elettrica: moto o flusso di particelle elettricamente cariche. Energia elettrica: quantità di energia disponibile grazie al flusso di cariche elettriche in un conduttore o grazie alle forze tra particelle cariche.

Elettricità statica

Quando il clima è freddo e secco, può succedere di ricevere una scossa camminando su un tappeto di lana o toccando una maniglia di metallo. Se è buio, si può vedere una scintilla. Anche strofinando un palloncino su un qualsiasi tessuto di lana esso viene caricato di elettricità statica, puoi osservarlo mettendo il palloncino sopra la tua testa, vedrai che i capelli si alzeranno di qualche centimetro. Qualche volta si vedono scintille pettinandosi i capelli. Queste scosse e queste scintille sono causate dall'elettricità statica.

Elettricità e magnetismo

Lo spazio intorno ad un elettrone o un qualsiasi altro oggetto avente una carica elettrica sembra trovarsi in uno stato di sollecitazione, denominato campo elettrico. È questo che interferisce con i campi elettrici di altri oggetti elettricamente carichi e provoca le forze reciproche tipiche di tali oggetti. Ma se si imprime un movimento agli elettroni, il loro percorso viene circondato da un altro nuovo campo, denominato campo magnetico. La forza di questo campo è direttamente proporzionale sia al numero di elettroni in movimento sia alla velocità a cui si muovono, ossia, in altri termini, alla corrente.

Pertanto, se si fa passare una corrente attraverso una bobina, cioè un insieme di spire convenientemente predisposta, di filo di rame, questa bobina di filo si comporterà come un magnete d'acciaio, attraendo o respingendo altre bobine simili di filo. Avvolgendo una tale bobina su una struttura di ferro o nucleo, si rafforzerà il campo magnetico prodotto. Se si dispongono parecchie bobine di filo attorno ad un nucleo di ferro, libero di ruotare, collocandole nel campo di grande intensità di una serie di bobine fisse, percorse da corrente, si otterranno notevoli forze meccaniche. Queste faranno ruotare le bobine mobili, le quali compiranno un lavoro meccanico.

Tale apparecchio è denominato motore elettrico. Attualmente, i motori elettrici fanno funzionare tutti i tipi di macchinario, dai delicati trapani del dentista alle gigantesche macchine delle fabbriche moderne. Vi possono essere numerosi motori elettrici in un'abitazione moderna, da quello della caldaia a nafta, a quello del frigorifero, ecc.

Corrente alternata e continua

Fino a questo punto si è accennato che in un qualsiasi circuito dato gli elettroni si muovono sempre nello stesso senso internamente ad esso. Un sistema o un circuito del tipo suddetto è denominato sistema a corrente diretta o continua. Un esempio di tale circuito è dato da un qualsiasi circuito potenziato da batterie, per esempio, un lampo al magnesio, oppure un impianto elettrico nelle automobili. Qualche volta, però, la corrente non resta costante, sia per quanto riguarda la forza che il senso. Si usano numerosi circuiti elettrici in cui la corrente inverte regolarmente il verso del suo flusso nel circuito.

Per i circuiti elettrici in cui la corrente inverte regolarmente il verso del suo flusso nel circuito si parla invece di corrente alternata. I circuiti elettrici più comuni e maggiormente impiegati sono a corrente alternata. In un circuito a corrente alternata, è necessario specificare anche la frequenza, oltre a specificare l'intensità di corrente e la tensione del circuito, come invece è sufficiente per il circuito a corrente diretta. La frequenza misura la metà del numero di volte che la corrente cambia direzione in un secondo.