La Fisica Quotidiana: Cariche Elettriche, Elettricita’ e Onde Elettromagnetiche (Parte I)

Al mattino, un po’ assonnati, accendiamo il tostapane, prendiamo dal frigo il latte e lo riscaldiamo al forno a microonde… intanto ascoltiamo la radio o la televisione e magari è una di quelle giornate nere con pioggia e fulmini. Viene voglia di tornare a letto ma un allegro motivetto al cellulare ci ricorda l’appuntamento col dentista di lì a due ore per cui acceleriamo le operazioni mattutine, usciamo di casa e partiamo a razzo con l’automobile… e così via. Capita! Ma che cosa hanno in comune tutte le cose evidenziate? Lo sappiamo tutti: dell’elettricità. Vediamo di che cosa si tratta per scoprire che ancora una volta che alla base di tutto c’è l’atomo.

Chissà quante volte da bambini, dopo aver strofinato una comune penna a sfera sulla manica del golf di lana, abbiamo constatato che la penna attirava pezzettini di carta. Sembra poco, ma in realtà questo semplice esperimento rivela l’esistenza delle cariche elettriche che determinano la gran quantità di fenomeni elettrici che sono alla base di una miriade oggetti che usiamo tutti i giorni. Il fenomeno della elettrizzazione per strofinio era già noto ai Greci.

Essi non avevano penne a sfera né la carta ma disponevano di una sostanza resinosa, l’ambra, con la quale attiravano pezzetti di papiro. L’ambra in greco si chiama elektron, da qui l’origine della parola elettricità.
I Greci avevano anche osservato che un materiale trovato nei pressi della città di Magnesia aveva la proprietà di attirare pezzi di ferro. Dal nome della città viene il termine magnetismo. I fenomeni elettrici e magnetici sono dunque noti fin dall’antichità e per molti secoli si è ritenuto che fossero indipendenti.

Solo nel diciannovesimo secolo si è capito che essi sono due aspetti di una stessa categoria di fenomeni chiamati elettromagnetici. Ma torniamo al nostro esperimento. Dunque strofinando bacchette di ambra o plastica o vetro queste acquistano una proprietà che chiamiamo carica elettrica.
E’ interessante notare che dopo aver strofinato due bacchette di vetro su altrettanti panni di lana, le due bacchette attraggono pezzi di carta ma se avvicinate tra loro si respingono. Questi fenomeni sono indicati come fenomeni di attrazione (o repulsione) elettrostatica. Possiamo concludere che in natura esistono due tipi di carica elettrica ai quali vengono dati convenzionalmente i nomi di carica positiva (+) e carica negativa (-) che hanno la seguente proprietà:

Due corpi che hanno lo stesso tipo di carica si respingono. Viceversa due corpi che hanno l’uno e l’altro tipo di carica rispettivamente, si attraggono.

Come possiamo interpretare il fenomeno della elettrizzazione?
Per capire la questione dobbiamo ricordare che la materia è fatta di atomi. In articoli precedenti abbiamo visto che gli atomi, intesi come particelle indivisibili, già di per se ci consentono di capire concetti di senso comune come Calore, Temperatura, Pressione. Ora però dobbiamo guardare dentro l’atomo. Importanti esperimenti fatti all’inizio del novecento mostrano che ciascun atomo (dei 92 tipi diversi esistenti in natura) è a sua volta costituito da particelle ancora più piccole: ci sono elettroni che circondano e ruotano intorno a un nucleo a sua volta fatto di protoni e neutroni, come schematizzato in figura.

Gli elettroni hanno una piccola carica negativa, i protoni hanno carica positiva esattamente uguale e opposta a quella degli elettroni, i neutroni non hanno carica elettrica, sono neutri.

E’ la natura che ha deciso così!

E allora per quale motivo lo strofinio su un panno di lana fa sì che la penna biro si carichi in un certo modo e attragga pezzetti di carta?  Il fatto è che nella lana gli elettroni sono meno legati a formare gli atomi di quanto non siano gli elettroni nella plastica e allora, a seguito dello strofinio, una notevole quantità di elettroni passa dalla lana alla plastica che assume quindi carica negativa.

Le cose vanno così (vedi figura): il pezzetto di carta è inizialmente neutro, cioè le cariche positive sono esattamente bilanciate dalle cariche negative. Quando avviciniamo la penna biro, dopo averla strofinata con la lana, la sua carica negativa attrae le cariche positive della carta le quali si spostano verso il bordo del pezzo di carta fino a che la forza di attrazione elettrostatica non è sufficiente a incollare la carta alla penna biro.
E’ importante notare che in tutte le situazioni in cui compare una carica elettrica questa non viene creata dal nulla. In altri termini il fenomeno dell’elettrizzazione avviene soltanto per trasferimento di elettroni da un oggetto all’altro. Si dice che in natura la carica elettrica non si crea né si distrugge (come l’energia).

Quindi se abbiamo un corpo che inizialmente è scarico e poi assume una certa carica elettrica, possiamo essere certi che questa carica è stata prelevata da qualche altra parte.

La situazione è analoga a quella che si verifica se abbiamo un secchio d’acqua inizialmente vuoto che poi notiamo essere pieno d’acqua: possiamo essere sicuri che quell’acqua è stata prelevata da qualche altra parte, per esempio facendola fluire da un tubo collegato al rubinetto di casa.
E come l’acqua può fluire in un tubo, altrettanto le cariche elettriche possono fluire lungo un filo che, guarda caso, chiamiamo filo elettrico. Questo fluire è quello che comunemente chiamiamo corrente elettrica.


Possiamo ora fare un passo avanti generalizzando l’analogia idraulica per capire il circuito elettrico fondamentale che è alla base di tutte le applicazioni pratiche della corrente elettrica e dell’energia elettrica da essa trasportata. Alla sinistra della figura abbiamo un pompa che preleva acqua dal serbatoio in basso, la fa fluire nel serbatoio in alto dal quale defluisce per caduta verso il primo serbatoio. Sul percorso di caduta c’è una ruota che è fatta girare dal flusso d’acqua in caduta.

Chiamiamo la ruota l’utilizzatore perché il suo moto rotatorio si presta a varie applicazioni pratiche. A destra abbiamo il suo equivalente elettrico: al posto della pompa abbiamo una pila elettrica con un polo positivo e un polo negativo. Gli elettroni nel filo elettrico sono respinti dal polo negativo e spinti a circolare dal polo negativo al polo positivo. Si genera quindi un flusso di corrente elettrica (si noti che per convenzione il verso della corrente è assunto opposto a quello del moto degli elettroni). La corrente elettrica passa per l’utilizzatore che può essere una lampada, un elettrodomestico o una qualsiasi delle apparecchiature elettriche di uso comune (per esempio, potrebbe essere il motore elettrico che fa girare la pompa del circuito idraulico).

La pila è rappresentata con due piccole barre equivalenti ai poli positivo e negativo della pila. Osserviamo che il flusso di elettroni è tale da depauperare la carica negativa sul polo negativo e a neutralizzare la carica positiva sul polo positivo. Questo fenomeno è contrastato dall’energia chimica di sostanze contenute nella pila che reagendo tra loro provvedono a ripristinare le cariche sui poli. In sostanza una pila è un dispositivo che trasforma energia chimica in energia elettrica. Naturalmente l’energia chimica tende ad esaurirsi ed ecco perché la pila prima o poi si scarica.  

Nel prossimo articolo proseguiremo il discorso introducendo il concetto di campo elettromagnetico che ci consentirà di definire le onde elettromagnetiche il cui spettro va dalle onde radio ai raggi X passando per quella piccola porzione a noi visibile che chiamiamo luce.

Continua…

Luigi Catalani nasce a Norma (LT) nel 1946. Si laurea in Ingegneria Elettronica con indirizzo Calcolatori e Controlli Automatici nel 1975. E’ assunto da una società romana leader nel settore della Meccanottica di precisione occupandosi di progettazione elettronica e software di sistemi di Aereofotogrammetria per applicazioni cartografiche civili e militari. Nel 1980 è assunto da una primaria azienda Aerospaziale italiana come dirigente del reparto progettazione e sviluppo di apparati avionici di bordo per aerei ed elicotteri militari e civili. Nel 1988 passa alle dipendenze di una società romana leader nel settore dei sistemi di difesa avionica con l’incarico di Project Manager per diversi contratti internazionali per lo sviluppo e produzione di apparati destinati alle aeronautiche di Italia, Germania, UK e Spagna. Nel 2007,nella stessa società, conclude la sua carriera in qualità di Responsabile Commerciale degli stessi contratti.


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