CAPITOLO 7 - L’ELETTRICITÀ

1. 1 DALL’ENERGIA MECCANICA ALL’ENERGIA ELETTRICA… E VICEVERSA

Uno dei sistemi più comuni per produrre energia elettrica è quello di trasformare l’energia di qualcosa che si muove (energia meccanica) in elettrica, quella che chiamiamo comunemente corrente.

Per esempio, possiamo fare questa trasformazione con una dìnamo, come quella che converte il movimento della ruota di una bicicletta in energia elettrica, facendo accendere la luce del fanale, o con una pila a manovella, che viene caricata girando la manovella FIG. 1.

L’energia elettrica, che, come abbiamo detto, è frutto di una trasformazione, può anch’essa trasformarsi.

Possiamo infatti passare dall’energia elettrica a quella meccanica tramite un motore elettrico, come quello di un trapano, dove la corrente elettrica fa girare la punta.

È anche possibile immagazzinare l’energia elettrica in quei “contenitori” che chiamiamo pile: pensiamo, per esempio, ai nostri telefonini.

1. 2 UN PO’ DI STORIA

La parola elettricità deriva dal greco élektron che significa “ambra”. L’ambra è una resina prodotta dalle conifere che, con il tempo si fossilizza, assumendo una consistenza rigida.

Già nell’antichità si era scoperto che un panno di lana strofinato con un pezzo di ambra acquistava la proprietà di attirare a sé piccoli oggetti leggeri come capelli o pezzetti di sughero. E anche noi possiamo ottenere lo stesso risultato, usando un altro materiale: se strofiniamo la cannuccia di plastica di una biro su un maglione, possiamo attirare dei pezzetti di carta FIG. 2.

La forza che attrae i pezzetti di carta è una forza elettrica.

Alla fine del XVI secolo, il fisico inglese William Gilbert (1540-1603) osservò che anche lo zolfo e molte pietre dure avevano le stesse proprietà dell’ambra e le attribuì a un fluido immaginario. Lo scienziato irlandese Robert Boyle (1627-1691) dimostrò che tale fenomeno si verificava anche in condizioni di vuoto d’aria.

Nel XVIII secolo il fisico inglese Stephen Gray (1666-1736) studiò la conduttività elettrica, ovvero la capacità dei corpi di farsi attraversare dall’elettricità; lo scienziato francese John Theophilus Desaguliers (1683-1744) utilizzò per primo i termini conduttore e isolante.

Secondo Benjamin Franklin (1706-1790), l’elettricità era formata da un fluido di particelle che si respingevano tra loro e i suoi studi servirono da base per quelli condotti dagli scienziati che vennero dopo di lui come Volta, Ohm, Faraday. Alla fine del Settecento Alessandro Volta (1745-1827) inventò la pila, l’antenata della batteria elettrica. Nel 1826 il fisico tedesco George Ohm (1789-1854) enunciò la legge sulla resistenza elettrica. Nel 1831 il chimico inglese Michael Faraday (1791-1867) scoprì il principio base dei motori elettrici, ovvero l’induzione elettromagnetica: dimostrò che l’elettricità era una forza che si trasmetteva da una particella all’altra di materia. Nello stesso periodo lo statunitense Samuel Morse (1791-1872) inventò il telegrafo elettrico, che per comunicare impiegava il passaggio di elettricità attraverso un filo conduttore. Nel 1859 Antonio Pacinotti (1841-1912) costruì un prototipo di dìnamo che trasformava l’energia meccanica in energia elettrica continua. Nel 1870 Antonio Meucci (1808-1889) inventò il telefono (brevettato dallo statunitense Alexander Graham Bell nel 1876), e lo statunitense Thomas Alva Edison (1847-1931) inventò il fonografo e perfezionò la lampadina a incandescenza. Nel 1893 il fisico Nikola Tesla (1856-1943) sperimentò l’esistenza delle onde radio, sfruttate da Gugliemo Marconi (1874-1937), che inventò il telegrafo senza fili (1901). Nel 1897 l’inglese Joseph John Thomson (1856-1940) dimostrò l’esistenza degli elettroni e nel 1906 il tedesco Albert Einstein (1879- 1955) propose la teoria per cui la luce è composta da fotoni. Nel 1922 iniziarono le prime trasmissioni radiofoniche.

L’elettricità è una proprietà fisica della materia che si manifesta per mezzo di fenomeni di attrazione e respingimento tra i corpi. Poiché l’elettricità è una proprietà della materia, dobbiamo risalire alla struttura della materia stessa. La materia è costituita da molecole, che sono le parti più piccole di una sostanza che conservano le proprietà chimiche della sostanza stessa. Le molecole a loro volta derivano dall’unione di atomi. Tutti i 92 elementi chimici che esistono in natura (carbonio, idrogeno, rame, ferro, ecc.) sono costituiti da atomi FIG. 3 formati da:

- un nucleo, posto al centro, al cui interno ci sono due particelle diverse: i neutroni e i protoni;

- gli elettroni, che sono delle particelle più leggere che si muovono intorno al nucleo.

In queste particelle si trovano le cariche elettriche:

-    negative, quelle degli elettroni;

-    positive, quelle dei protoni.

Le cariche positive del nucleo attraggono verso di loro le cariche negative al di fuori del nucleo, grazie a una forza elettrica, che tiene insieme gli atomi.

L’atomo:

-    in condizioni di stabilità non è né positivo né negativo: è neutro e la sua carica elettrica è nulla;

-    se acquista o perde elettroni, viene meno la sua stabilità. Per esempio, quando strofiniamo con la lana la cannuccia di plastica della biro, la lana perde elettroni e la plastica li acquista.

Gli atomi con troppi o troppo pochi elettroni diventano instabili e cercano di ristabilire l’equilibrio. Un corpo che ha elettroni in eccesso (negativo) si sposterà verso un corpo che ne ha pochi (positivo) in base al principio che:

-    le cariche elettriche di segno opposto si attraggono;

-    le cariche elettriche dello stesso segno si respingono.

La carica elettrica è, dunque, l’eccesso o la mancanza di elettroni. Proviamo a immaginare due serbatoi contenenti una diversa quantità d’acqua. Se li colleghiamo per mezzo di un tubo, l’acqua contenuta nel serbatoio più pieno comincerà a muoversi verso quello meno pieno. Allo stesso modo, se proviamo a collegare due corpi con una quantità diversa di elettroni tramite un filo metallico, per esempio di rame, gli elettroni si sposteranno, attraverso il filo, dal corpo con più elettroni, il polo negativo, chiamato catodo, a quello in cui se ne trovano di meno, il polo positivo, chiamato anodo, fino a che non si ristabilisce l’equilibrio.

Il passaggio di elettroni attraverso il filo, chiamato flusso di elettroni, costituisce la corrente elettrica FIG. 4.

I materiali esistenti in natura non sono tutti uguali rispetto alla corrente elettrica.

Alcuni hanno gli elettroni che non sono strettamente legati al loro nucleo e riescono a muoversi con facilità.

Questo tipo di materiali, i metalli soprattutto, si fanno attraversare facilmente dalla corrente e vengono definiti conduttori FIG. 5; la conduttività elettrica è la proprietà di farsi attraversare dalla corrente.

II metallo che viene maggiormente impiegato nelle apparecchiature elettriche, sia per la sua elevata conduttività sia per il suo costo, è il rame, spesso sostituito dall’alluminio.

Invece gli isolanti FIG. 6 sono materiali che hanno gli elettroni fortemente attratti dal nucleo e che non tendono a muoversi liberamente. Poiché non si fanno attraversare dalla corrente, vengono utilizzati per avvolgere i materiali conduttori.

Tra i materiali isolanti più impiegati troviamo le materie plastiche, la ceramica, il vetro, il legno secco.