L’elettricità

4.1  Cos’è l’elettricità

Nelle nostre case sono onnipresenti delle comuni prese di corrente che ci collegano alla rete elettrica nazionale, in modo tale da poter usufruire di un servizio basilare di cui oggi non potremmo farne a meno: la corrente elettrica .

Ogni nostro istante è pervaso da quest’ultima, ma cos’è precisamente?

L’elettricità è una proprietà della materia, che risiede nella struttura degli atomi che costituiscono la materia stessa.

Si può dire, infatti, che la carica elettrica consista in un eccesso o un difetto di elettroni.

Gli elettroni sono delle particelle elementari che vanno a formare l’atomo, insieme a i neutroni e i protoni . Queste particelle non differiscono fra di loro solo per dimensioni: in esse risiedono le cariche elettriche, positive quelle dei protoni e negative quelle degli elettroni. In condizioni normali l’atomo è elettricamente neutro, ma può accadere che esso acquisti o perda elettroni; le cariche positive e negative non saranno più bilanciate. Nel caso di un eccesso, l’atomo diventerà uno ione negativo o anione , al contrario, un difetto trasformerà l’atomo in uno ione positivo o catione . La perdita o l’acquisto di elettroni rende gli atomi instabili, ed essi tenderanno a ristabilire l’equilibrio elettrico: per questo motivo, le cariche di segno opposto si attraggono, mentre quelle di egual segno si respingono. Esempio di carica positiva è quella del vetro, mentre negativa è quella dell’ambra.

L’unità di misura della carica elettrica è il Coulomb ( C ).

Ora, chiariti questi concetti di base, possiamo finalmente rispondere alla precedente domanda:

L’elettricità non è altro che un flusso ordinato di elettroni lungo un conduttore.

Essa può essere di tipo continuo o alternato ; nel primo caso, gli elettroni si muovono sempre nello stesso verso e con intensità costante, nel secondo, il flusso cambia verso periodicamente. La corrente alternata inverte il suo verso ben 50 volte al secondo. Il tempo impiegato dagli elettroni per compiere un’inversione completa, espresso in secondi, si chiama periodo ; il numero di periodi al secondo prende il nome di frequenza ( f ). Essa si misura in hertz ( Hz ).

Non tutti i materiali si lasciano attraversare dalla corrente elettrica allo stesso modo, da qui la distinzione fondamentale tra materiali conduttori ed isolanti ; i primi permettono il passaggio di corrente, mentre i secondi lo impediscono.

In un conduttore, però, è possibile il passaggio di cor­rente esclusivamente quando ai suoi estremi vi è una differente energia poten­ziale elettrica, detta negativa al polo con un maggior numero di elettroni e positiva a quello con una minore quantità.

Spesso, invece di parlare di diversa energia potenziale, si usa nominare la differenza di potenziale o tensione che intercorre tra gli estremi stessi.

Per mantenere costante questa differenza, si utilizza un generatore .

Il primo fu la pila , inventata da Alessandro Volta e, in suo onore, è stato coniata l’unità di misura del Volt ( V ), utilizzata per quantificare la differenza di potenziale, che è misurabile grazie ad uno strumento chiamato “Voltometro”.

Vi sono altri tipi di generatori, tra cui la pila di Leclanchè , o pila a secco , l’ accumulatore , ossia un immagazzinatore di corrente continua, la dinamo , un generatore meccanico di corrente continua, e l’ alternatore , generatore meccanico di corrente alternata.

Un’altra variabile importante per la misurazione delle grandezze dell’energia elettrica, è la quantità di corrente che attraversa un conduttore.

La quantità di corrente elettrica che attraversa un filo con­duttore può variare, per questo si parla di intensità della corrente elettrica.

L' intensità della corrente è identificata dalla lettera i . Essa è il rapporto fra la carica elettrica Q, che passa in una sezione del conduttore, e il tempo T impiegato. La sua unità di misura è l’ Ampere ( A ) ed è possibile quantificarla grazie ad uno strumento denominato “Amperometro”.

4.2  Le altre grandezze della corrente

Esistono ulteriori grandezze elettriche, oltre all’intensità e alla tensione: la resistenza e la potenza.

·          La resistenza

Il passaggio degli elettroni in un conduttore è ostacolato da un attrito chiamato resistenza . Essa è stata scoperta dal fisico G. S. Ohm, il quale affermò che il rapporto fra la differenza di potenziale e l’intensità della corrente è costante. L’unità di misura coniata in suo onore e l’ ohm ( Ω ) e lo strumento adeguato per misurarla è l’ohmetro.

Ohm, inoltre, stilò un’altra legge, la quale afferma che la resistenza di un conduttore è direttamente proporzionale alla sua lunghezza ( l ) e inversamente alla sua sezione ( s ).

ρ è una costante tipica di ogni materiale detta resistività .

La seconda legge di Ohm: maggiore è la lunghezza del filo, meno è luminosa la lampadina, perchè è aumentata la resistenza

La seconda legge di Ohm: maggiore è la sezione del filo, più è luminosa la lampadina, perchè la resistenza è diminuita

·          La potenza

La potenza della corrente elettrica è il lavoro che essa può compiere. La potenza erogata ( P ) è direttamente proporzionale alla tensione ( V ) e all’intensità ( I ). La sua unità di misura è il Watt (W).

Lo strumento utilizzato per misurare il consumo di potenza nel tempo (i kilowattora, in genere kWh), cioè l’energia assorbita da un utilizzatore, è il contatore elettrico.

Infine, per concludere, elenchiamo tutte le varie grandezze elettriche incontrate finora:

4.3  Circuiti e collegamenti

La teoria dell’elettricità viene messa in pratica dai circuiti elettrici .

Il più piccolo circuito elettrico è costituito da un generatore, un interruttore, un utilizzatore e un conduttore. Quando l’interruttore si chiude, c’è il passaggio di corrente, l’utilizzatore entra in funzione e il circuito si dice chiuso ; quando si apre, invece, si interrompe il passaggio di corrente, l’utilizzatore si spegne e il circuito diventa aperto .

Esistono due differenti metodologie per collegare gli utilizzatori, che, in questo caso, saranno delle semplici lampadine:

·          Collegamento in serie

Con questo tipo di collegamento, quando il circuito si apre, tutte le lampadine si spengono, mentre quando si chiude, si accendono tutte. Lo svantaggio di questo tipo di collegamento è il fatto che, nel caso in cui si fulminasse un utilizzatore, si aprirebbe il circuito, facendo spegnere tutti gli altri. Un esempio ne è l’addobbo luminoso dell’albero di Natale.

·          Collegamento in parallelo

In questo caso, invece, è possibile accendere indipendentemente uno solo di tutti gli utilizzatori collegati. Questo collegamento è tipico delle abitazioni, perchè permette di accendere un solo elettrodomestico senza dover accendere tutti gli altri.

Come abbiamo collegato gli utilizzatori in serie e in parallelo, è possibile collegare con le medesime metodologie dei generatori, in questo caso, delle semplici pile. Così facendo, però, vengono modificate alcune variabili del circuito, come il voltaggio o l’intensità.

·          Collegamento in serie

Per collegare in serie due o più generatori, occorre unire il polo positivo del primo con quello negativo del secondo, quello positivo del secondo con quello negativo del terzo, …

In questo modo, si ottiene una batteria di generatori in grado di fornire la medesima intensità di una singola pila, ma un voltaggio pari alla somma di tutti i singoli generatori.

I _tot = I ₁ = I ₂

V _tot = V ₁ + V ₂

·          Collegamento in parallelo

In genere, si ricorre al collegamento in parallelo quando si desidera ottenere un’intensità maggiore. Ciò è possibile collegando tra loro tutti i poli positivi ed al medesimo modo tutti quelli negativi. Si otterrà così un’intensità pari alla somma di tutte le intensità, mentre il voltaggio sarà uguale a quello di un singolo generatore.

I _tot = I ₁ + I ₂ + I ₃ + I ₄

V _tot = V ₁ = V ₂ = V ₃ = V ₄

4.4  Gli effetti della corrente

Quando circola in un circuito, la corrente elettrica produce tre differenti effetti:

·          Effetto termico o effetto Joule

Come detto, la resistenza è una forma di attrito, quindi, al passaggio della corrente, il conduttore si riscalda. Secondo la legge di Joule, il calore ( P ) prodotto è direttamente proporzionale alla resistenza e al quadrato dell’intensità della corrente.

Questo effetto è utilizzato quasi dovunque: nei ferri da stiro, nelle stufe, nelle lavatrici, nelle lavastoviglie …

Un particolare utilizzo di questo effetto è prodotto dalle lampadine. Se ne osserviamo una, possiamo facilmente notare che, all’interno della sua ampolla, vi è un sottile filamento conduttore di tungsteno , il quale sarà attraversato da una corrente elettrica che lo farà riscaldare, senza farlo bruciare, perchè l’ampolla è vuota o piena di gas inerte.

La temperatura raggiunta dal tungsteno è talmente elevata che il materiale emetterà luce. 

·          Effetto chimico

L’effetto chimico della corrente è sfruttato dal fenomeno dell’ elettrolisi .

Se immergiamo due lamine di metallo collegate ad un generatore e ad un utilizzatore all’interno di una bacinella d’acqua distillata, ci accorgiamo che la lampadina non si accende. Per favorire il passaggio della corrente è sufficiente aggiungere del comunissimo cloruro di sodio NaCl (sale da cucina). Ciò avviene perchè l’acqua distillata non favorisce il passaggio della corrente. Quando noi aggiungiamo il sale, NaCl, esso si discioglie nell’acqua in forma di sodio (Na ⁺ ) e cloro (Cl ^-  ); il primo ione viene attratto dal catodo (la lamina collegata al polo negativo del generatore), mentre il secondo dall’ anodo (la lamina collegata al polo positivo del generatore).

Durante questo spostamento, gli elettroni della corrente elettrica vengono trasportati dagli ioni : questa è la motivazione del passaggio di corrente in un liquido, solo in presenza di ioni positivi e negativi.

L’elettrolisi è utilizzata anche per ricoprire alcuni conduttori di un sottile strato di un altro metallo: l’oggetto da rivestire viene immerso nel liquido e collegato al catodo, mentre all’anodo viene collegata una lastra del metallo ricoprente. Al passaggio della corrente, gli ioni metallici con carica positiva si muovono verso il catodo, ricoprendo l’oggetto di un sottile strato del secondo metallo ( galvanostegia ).

·          Effetto magnetico

Il passaggio di corrente elettrica lungo un conduttore crea un campo magnetico ( elettromagnetismo ).

È stato i fisico danese Oersted a scoprire questo fenomeno: egli notò che l’ago di una bussola mutava drasticamente la sua direzione quando si trovava vicino ad un conduttore nel quale passava della corrente elettrica.

Il fenomeno inverso, invece, fu scoperto da Faraday, il quale capì che sia il movimento di una calamita all’interno di un solenoide, cioè, un conduttore isolato sotto forma di spirale, sia lo spostamento di un circuito elettrico privo di un generatore in un campo magnetico, inducevano la corrente nel filo conduttore ( induzione elettromagnetica ). Quest’ultimo fenomeno viene sfruttato soprattutto per produrre energia elettrica, come nel caso della dinamo : la ruota della bicicletta fa girare un asse sul quale vi è una calamita che, girando, induce la corrente elettrica nel solenoide avvolto intorno ad essa; da qui la corrente viaggia fino all’utilizzatore, una semplice lampadina. Il processo inverso della dinamo invece, è riscontrabile nel motore elettrico : il motore trasforma l’energia elettrica in meccanica, sfruttando sempre alcuni fenomeni magnetici.