|
Elettricità:
Ramo della fisica che studia i fenomeni che si manifestano in presenza di
cariche elettriche. Una  carica ferma in una determinata posizione esercita
su una seconda carica posta nelle vicinanze una forza elettrostatica (o
genera un campo elettrico), mentre una particella carica in moto
accelerato produce anche effetti magnetici, cioè genera un campo
magnetico. Come conseguenza di ciò i fenomeni elettrici e magnetici sono
correlati e sono entrambi determinati dalla posizione e dal moto relativo
di cariche elettriche. Le particelle di materia possono essere neutre,
oppure possono trasportare cariche elettriche positive o negative; le
particelle con carica di segno uguale si respingono mentre quelle con
carica opposta si attraggono. Così due protoni, o due elettroni, si
respingono reciprocamente, mentre un protone e un elettrone interagiscono
per mezzo di forze che li attraggono.
Elettrostatica:
L'elettrostatica è lo studio delle relazioni tra cariche ferme, in una
determinata posizione dello spazio. L'intensità della forza esercitata
tra due cariche puntiformi q1e
q2
è direttamente proporzionale al prodotto delle cariche e inversamente
proporzionale al quadrato della loro distanza; questo risultato è
espresso dalla legge di Coulomb,
 dove
e
dipende dalle proprietà dello spazio in cui sono
poste le cariche e
prende il nome di costante dielettrica assoluta. Questa legge, che è alla
base di tutta l'elettrostatica, venne formulata per via sperimentale dal
fisico francese Charles Augustin de Coulomb, in onore del quale l'unità
di misura della carica elettrica si chiama coulomb (C). Vedi anche Unità
di misura elettriche. Ogni corpo dotato di carica elettrica genera nello
spazio circostante un campo elettrico. In altre parole determina
un'alterazione dello spazio che diviene evidente quando si pone
all'interno di esso una seconda carica elettrica, usualmente detta carica
di prova, o carica spia; per effetto del campo, infatti, la carica di
prova risente di una forza attrattiva o repulsiva. In altre parole, il
concetto di campo può essere utilizzato per fornire una descrizione,
forse più complessa ma in molti casi più conveniente, dell'interazione
fra cariche elettriche: anziché affermare che una carica elettrica
esercita su una seconda carica posta a una determinata distanza una forza
elettrostatica, diciamo che una carica ferma genera un campo elettrico e
che per effetto del campo una seconda carica risente di una forza. Il
campo elettrico può essere rappresentato graficamente mediante opportune
linee, dette linee di forza o di campo, che indicano la direzione delle
forze elettriche che agirebbero su un'immaginaria carica di prova positiva
posta all'interno di esso. Per spostare una particella carica da un punto
a un altro del campo occorre compiere del lavoro, cioè trasferire energia
alla particella stessa. La quantità di energia necessaria nel caso di una
particella recante carica unitaria è uguale per definizione alla
differenza di potenziale tra i due punti considerati.
Cariche
elettriche:
 Lo strumento utilizzato per misurare lo stato di elettrizzazione di un
corpo è l'elettroscopio. Nella sua forma più semplice è costituito da
due sottilissime foglie d'oro (a,a) sospese a un supporto metallico (b)
posto all'interno di un recipiente di vetro o di altro materiale non
conduttore (c) e da un pomello metallico (d), collegato al supporto, che
raccoglie le cariche elettriche. Avvicinando un corpo elettrizzato al
pomello si induce una distribuzione di cariche: il pomello metallico
acquista una carica opposta a quella del corpo mentre le cariche dello
stesso segno di quest'ultimo raggiungono, attraverso il supporto, entrambe
le foglie; per effetto delle forze elettrostatiche esse si respingono e
dalla loro divergenza angolare è possibile risalire alla carica elettrica
depositata sul corpo elettrizzato. Per elettrizzare un corpo si possono.jpg)
usare tre metodi principali: 1) lo sfregamento con un altro oggetto di
materiale diverso (ad esempio ambra e panno di lana); 2) il contatto con
un altro corpo elettrizzato; 3) l'induzione elettrostatica. L'induzione
elettrostatica è mostrata in figura 2. Un corpo con carica negativa, A,
è posto tra un conduttore neutro, B, e un corpo neutro di materiale
isolante, C. Nel conduttore gli elettroni liberi sono respinti verso la
regione più lontana da A, mentre le cariche positive sono attratte verso
l'estremità vicina. L'intero corpo B è attirato verso A, perché
l'attrazione delle cariche opposte prevale rispetto alla repulsione delle
cariche di segno uguale, che sono più lontane. Ciò è facilmente
comprensibile se si tiene conto che le forze che si manifestano tra
cariche elettriche sono inversamente proporzionali al quadrato della loro
distanza. Nel corpo isolante (C) gli elettroni non sono liberi di
muoversi, ma gli atomi o le molecole del materiale risentono di una forza
che li orienta in modo che i loro elettroni vengano a trovarsi il più
possibile lontano da A; pertanto anche C è attirato da A, ma in misura
minore del conduttore.
Elettricità
in movimento:
Se
colleghiamo due conduttori con carica uguale e opposta per mezzo di un
filo metallico, le cariche si annullano reciprocamente e dopo un
intervallo di tempo relativamente breve i due corpi risultano neutri. La
neutralizzazione avviene a seguito di un flusso di elettroni .jpg) attraverso il
filo, dal corpo carico negativamente all'altro. In generale, in un
qualunque sistema continuo di conduttori, gli elettroni fluiscono dal
punto a potenziale minore a quello a potenziale più alto. Un flusso di
cariche elettriche costituisce una corrente elettrica. Convenzionalmente,
benché siano gli elettroni a muoversi all'interno di un conduttore, si
assume come segno dell'intensità di corrente quello che avrebbero le
cariche positive, cioè quello opposto al moto effettivo degli elettroni.
Collegando un filo metallico ai morsetti di un generatore di tensione, ad
esempio una pila, si ottiene un semplice esempio di circuito elettrico. Un
tale circuito è caratterizzato da tre grandezze fondamentali: la
differenza di potenziale applicata, che viene talvolta chiamata forza
elettromotrice (fem) o tensione; l'intensità di corrente, misurata in
ampere (1 ampere corrisponde al flusso di circa
.240.000.000.000.000.000 elettroni al secondo attraverso una
qualunque sezione del circuito); la resistenza. Come abbiamo già
osservato, in condizioni ordinarie tutte le sostanze, conduttrici o non,
si oppongono in una determinata misura al moto delle cariche e questo
limita necessariamente l'intensità della corrente. Vedi anche Legge di
Ohm. Quando in un filo conduttore scorre una corrente elettrica si possono
osservare due effetti importanti: cresce la temperatura del filo; un ago
magnetico posto nelle vicinanze si orienta, disponendosi
perpendicolarmente al filo stesso. Il primo fenomeno è dovuto al fatto
che gli elettroni, entrando in collisione con gli atomi del conduttore,
cedono a questi una parte della loro energia, che viene in seguito
dissipata sotto forma di calore. La potenza (energia nell'unità di tempo)
dissipata in un secondo tra due punti di un circuito è data dalla formula
P = V × I o P = I2
× R, dove V rappresenta la differenza di tensione tra i due punti
considerati, R è la resistenza del ramo di circuito e I è l'intensità
della corrente che lo attraversa.
Elettromagnetismo:
Il
movimento di un ago magnetico posto in prossimità di un conduttore
percorso da corrente indica la presenza di un campo magnetico ; ciò significa che una carica elettrica in moto genera un
campo magnetico nello spazio circostante. Le linee di forza del campo
magnetico generato da un filo conduttore rettilineo e di lunghezza
indefinita sono circonferenze concentriche, situate nel piano
perpendicolare al filo e aventi centro sul filo stesso. Sono molto fitte
in prossimità del conduttore e si diradano allontanandosi da questo;
inoltre hanno verso antiorario se osservate nella direzione della
corrente. Si verifica anche
il fenomeno inverso: una carica elettrica in moto in una regione dello
spazio in cui si manifesta un campo magnetico risente di una forza
perpendicolare al piano individuato dal campo e dalla velocità della
carica stessa. Poiché una corrente elettrica è costituita da un flusso
di cariche elettriche, un filo conduttore percorso da corrente e immerso
in un campo magnetico è anch'esso sottoposto a una forza. Due fili
conduttori paralleli posti a una determinata distanza si attraggono se
sono percorsi da corrente nella stessa direzione e si respingono se le
correnti hanno versi opposti. Ciò può essere spiegato tenendo conto che
ciascuno dei due fili è sottoposto a una forza per effetto del campo
magnetico generato dall'altro filo. Più complesso è il fenomeno
dell'induzione elettromagnetica che si verifica ogni volta che una
corrente elettrica "taglia" le linee di forza di un campo
magnetico o più precisamente ogni volta che varia il flusso del campo
magnetico concatenato con un circuito. Muovendo una spira conduttrice
all'interno di un campo magnetico si "induce" in essa una
corrente elettrica il cui verso è tale da contrastare la variazione di
flusso che l'ha prodotta. Ad esempio, se una spira viene estratta dalla
regione compresa tra le espansioni polari di un magnete, diminuisce il
flusso del campo concatenato e la corrente indotta è tale da generare un
campo magnetico che ha la stessa direzione e lo stesso verso di quello
prodotto dal magnete.
Conduzione
elettrica nei liquidi e nei gas:
Quando
una corrente elettrica scorre in un filo metallico, il flusso delle
cariche avviene in una sola direzione, poiché a muoversi sono i soli
elettroni. Nei liquidi e nei gas, invece, il moto di cariche elettriche può
avvenire in entrambi i versi poiché se le condizioni sono opportune le
molecole di un fluido possono dissociarsi in coppie di ioni (ionizzazione)
positivi e negativi, liberi di muoversi. Immergendo due elettrodi in una
soluzione liquida, gli ioni positivi (anioni) si muovono verso l'anodo e
quelli negativi (cationi) migrano verso il catodo. Analogamente, nei gas
ionizzati si stabilisce una corrente elettrica determinata da un flusso di
ioni in entrambi i sensi.
Sorgenti
di forza elettromotrice:
Per
produrre una corrente in un circuito elettrico è necessaria una sorgente
di forza elettromotrice o di differenza di potenziale. I principali tipi
di sorgenti sono: 1) macchine elettrostatiche come il generatore di Van de
Graaff, che funziona per induzione di cariche elettriche con mezzi
meccanici; 2) macchine elettromagnetiche, che generano corrente muovendo
meccanicamente dei conduttori all'interno di campi magnetici (vedi Motori
e generatori elettrici); 3) pile, che generano forza elettromotrice
attraverso un processo elettrochimico; 4) dispositivi che producono forza
elettromotrice per azione del calore (vedi Cristallo; Termoelettricità);
5) dispositivi che generano forza elettromotrice mediante effetto
fotoelettrico; 6) dispositivi che producono forza elettromotrice per
effetto piezoelettrico.
Correnti
alternate:
Quando
un conduttore si muove in modo alterno all'interno di un campo magnetico
si genera una corrente oscillante detta corrente alternata. Essa presenta
diversi vantaggi rispetto alla corrente continua ed è universalmente
impiegata per usi domestici e industriali. Per mezzo di un trasformatore,
una corrente alternata può essere utilizzata per generare una tensione di
qualunque valore: quando essa attraversa una bobina, infatti, si genera un
campo elettrico variabile che induce in una seconda bobina una corrente
alternata. Regolando opportunamente il numero di spire dei circuiti, è
possibile prelevare ai capi del secondario una tensione maggiore di quella
fornita al primario. In Europa, per le applicazioni domestiche e
industriali, viene utilizzata una corrente alternata sinusoidale con
frequenza di 50 Hz. Ciò permette di ridurre al minimo le perdite di
potenza durante la distribuzione di energia elettrica.
|
