ELETTRICITA E MAGNETISMO L ELETTRICITA I fenomeni elettrici, ad eccezione di poche descrizioni delle proprietà dell ambra o della magnetite, hanno interessato l uomo in maniera quasi scientifica a partire dal 1300, ma hanno avuto un primo significativo impulso dal 1700 in poi. Per secoli le idee furono molto confuse e le teorie a volte bizzarre. Un momento particolarmente significativo si ebbe a fine 1700 con accalorate dispute tra il piemontese Giovanbatista Beccaria, l americano Benjamin Franklin, il comasco Alessandro Volta e il bolognese Luigi Galvani. Beccaria Franklin Galvani Volta Oggi sappiamo che per spiegare l elettricità occorre fare riferimento alla struttura dell atomo: esso è composto da protoni e neutroni, concentrati nel nucleo e da elettroni che si muovono intorno al nucleo (figura 1). neutroni protoni I neutroni sono privi di carica elettrica, mentre ogni protone porta una carica elettrica positiva (+), e ciascun elettrone trasporta una carica elettrica negativa (-). Le due cariche, dette elementari, sono di segno opposto e hanno la stessa intensità. Cariche elettriche dello stesso segno si respingono, mentre cariche elettriche di segno opposto si attraggono. Perciò un protone (+) e un elettrone (-) si attraggono; due elettroni o due protoni si respingono (figura FIGURA 1 2), l attrazione che si esercita tra due cariche di segno opposto e la repulsione che si esercita tra due cariche di segno uguale viene chiamata forza elettrica. si si si FIGURA 2 respingono respingono attraggono Tale forza è stata studiata in particolare dal francese Coulomb che ha dimostrato come essa sia direttamente proporzionale al prodotto delle cariche elettriche ed inversamente proporzionale al q1 q2 quadrato della distanza che le separa: F = k 2 d Gli atomi possono trasformarsi in ioni. Gli atomi normalmente hanno ugual numero di protoni ed elettroni e sono elettricamente neutri. Gli atomi, che hanno perduto elettroni, risultano elettricamente positivi, perché contengono un numero Elettricità e magnetismo. Realizzato da Christian Rossatto. Supervisione del Prof. Piero Scotto 1
di protoni maggiore rispetto agli elettroni rimasti, e prendono il nome di ioni positivi o cationi; gli atomi che hanno catturato degli elettroni risultano elettricamente negativi perché gli elettroni sono diventati più numerosi dei protoni e prendono il nome di ioni negativi o anioni. Il passaggio di elettroni da un atomo ad un altro è all origine dei fenomeni elettrici. Una carica elettrica genera un campo elettrico. La regione di spazio in cui una carica elettrica fa sentire i suoi effetti, cioè esercita delle forze su altre cariche elettriche circostanti, si chiama campo elettrico. Un campo elettrico si rappresenta per mezzo delle cosiddette linee di forza. L ELETRIZZAZIONE Un corpo si dice elettrizzato se al suo interno viene a mancare l equilibrio tra elettroni e protoni, cioè tra cariche positive e negative. Un corpo può essere elettrizzato in vari modi: - per strofinio: certi corpi hanno la proprietà di elettrizzarsi se vengono strofinati con un panno di lana. Questo metodo viene detto elettrizzazione per strofinio. Strofinando con un panno di lana il vetro o materiali simili ad esso, in essi si manifesta elettricità positiva: durante lo strofinio si ha un trasferimento di elettroni dal vetro alla lana, perciò il vetro risulta elettrizzato positivamente mentre la lana risulta elettrizzata negativamente. Strofinando con un panno di lana l ebanite o sostanze simili, in essa si manifesta elettricità negativa: in questo caso avviene il trasferimento dalla lana all ebanite, perciò quest ultima risulta elettrizzata negativamente, mentre la lana risulta elettrizzata positivamente. - per contatto: l elettrizzazione per contatto consiste nell elettrizzare un corpo neutro ponendolo a contatto con uno carico. - per induzione: l elettrizzazione per induzione consiste nel produrre una separazione di cariche in corpo neutro avvicinando ad esso un corpo carico. Questo fenomeno avviene perché un corpo carico, cioè elettrizzato, è in grado di elettrizzare un corpo neutro, cioè di provocare in quest ultimo una separazione di cariche per semplice avvicinamento. CONDUTTORI E ISOLANTI conduttori isolanti Rispetto alla capacità di trasportare le cariche elettriche, i materiali possono essere classificati in conduttori o isolanti. Si chiamano conduttori le sostanze in cui le cariche si possono muovere liberamente, mentre si chiamano isolanti tutte le sostanze in cui le cariche non si possono muovere o si muovono con grande difficoltà. Sono conduttori tutti i metalli, gli organismi viventi e la grafite; sono isolanti la plastica, il vetro e il legno (figura 3). I conduttori non possono essere elettrizzati per strofinio e in essi gli elettroni sono liberi di muoversi. FIGURA 3 LA CORRENTE ELETTRICA La corrente elettrica è un flusso di elettroni che si muovono per un tempo prolungato e in modo ordinato all interno di un conduttore. Si chiama intensità della corrente elettrica (i) il numero di elettroni che attraversano in un secondo la sezione di un filo conduttore. Elettricità e magnetismo. Realizzato da Christian Rossatto. Supervisione del Prof. Piero Scotto 2
Nelle nostre case la corrente circola nei fili elettrici che sono costituiti da un metallo conduttore rivestito da materiale isolante. Gli elettroni si muovono nel filo che di solito è di rame e l isolante impedisce che si disperdano a causa di un contatto con un metallo o con un altro filo conduttore. Si chiama potenziale elettrico l energia necessaria alle forze del campo elettrico per portare una carica elettrica unitaria da un punto infinitamente lontano a un punto dato. Si chiama polo negativo e polo positivo quello con concentrazione minore. Si chiama differenza di potenziale (d.d.p.) la differenza tra il potenziale del polo negativo e quello del polo positivo. Un generatore di corrente elettrica è il dispositivo in grado di mantenere alle due estremità del conduttore una d.d.p. costante. Una pila è un generatore di corrente elettrica: collegando il suo polo negativo e quello positivo ad un amperometro (figura 4) possiamo misurare la corrente nella lampadina. In un conduttore tanto maggiore è la differenza di potenziale ai due capi del filo, tanto più grande sarà la forza che spinge gli elettroni a percorrerlo. Questa forza si chiama tensione elettrica e si misura in volt (simbolo V), in onore di Alessandro Volta. Lo strumento per misurare la tensione si chiama voltmetro (figura 5). voltmetro amperometro polo polo polo polo (-) (+) (-) (+) pila da 4,5 V FIGURA 5 pila da 4,5 V FIGURA 4 LA PILA Il generatore di corrente più semplice è la pila di Volta, dal nome del suo inventore Alessandro Volta. Egli realizzò nel 1800 la prima pila (figura 6) alternando uno sopra l altro una serie di dischetti di zinco e di rame, che erano separati da un feltro acidulato, cioè imbevuto in una soluzione di acido solforico. Un filo conduttore collegava il primo disco di zinco con l ultimo di rame permettendo il passaggio della corrente. Le pile che usiamo oggi non sono quelle di Volta, anche se il principio di funzionamento è lo stesso. FIGURA 6 FIGURA 7 L elettrolita (la sostanza che si dissocia in ioni) è una parte solida, il polo positivo non è di rame ma di grafite. Queste sono le pile a secco (figura 7). Elettricità e magnetismo. Realizzato da Christian Rossatto. Supervisione del Prof. Piero Scotto 3
I CIRCUITI ELETTRICI La corrente elettrica può esistere soltanto in un percorso chiuso alle cui estremità è presente una differenza di potenziale. Questo percorso chiuso in cui circola la corrente prende il nome di circuito elettrico. Il circuito elettrico più semplice è costituito da un generatore di corrente, da un utilizzatore (lampadina), da un filo conduttore che unisce i due poli a differente potenziale e da un interruttore che serve ad aprire e chiudere il circuito. L interruttore non è altro che una lamina di metallo posta tra i due capi del filo; esso può aprire o chiudere un circuito. Quando l interruttore è sollevato il circuito è aperto (lampada spenta e assenza di corrente); quando è abbassato il circuito è chiuso (lampada accesa e presenza di corrente). I circuiti in serie e in parallelo Esistono principalmente due tipi di circuiti, quelli in serie e quelli in parallelo. Nei circuiti in serie gli utilizzatori sono collegati tra loro e sono posti uno di seguito all altro; il funzionamento di ognuno dipende da quello che lo precede, perciò, se una fila di lampadine è collegata in serie e una di esse è guasta, tutte le lampadine in serie rimangono spente. Nei circuiti in parallelo gli utilizzatori sono collegati indipendentemente tra loro al generatore e il funzionamento di ognuno non è influenzato dagli altri, perciò, se una fila di lampadine è collegata e una di esse è guasta le altre rimangono accese. La resistenza Si chiama resistenza elettrica (R) la maggiore o minore difficoltà che il conduttore offre al passaggio della corrente. L unità di misura della resistenza è l ohm (simbolo Ω) che equivale alla resistenza che un conduttore offre al passaggio di un ampere di corrente quando ai suoi estremi è applicata la tensione di un volt. Le leggi di Ohm Il fisico tedesco G.S. Ohm formulò due importanti leggi, molto utili nella costruzione dei circuiti elettrici: la prima e la seconda legge di Ohm. La prima legge di Ohm afferma che, in un filo conduttore, l intensità della corrente, i, è direttamente proporzionale alla d.d.p., V, e inversamente proporzionale alla resistenza, R: La seconda legge di Ohm afferma che la resistenza, R, di un filo conduttore è direttamente proporzionale alla sua lunghezza, l, inversamente proporzionale alla sua sezione, s, e dipende dalla natura del materiale: IL MAGNETISMO Il magnetismo è la proprietà che alcuni corpi possiedono di attirare oggetti di natura ferrosa. I corpi che hanno questa proprietà sono detti calamite o magneti. La magnetite, un minerale del ferro, è un esempio di magnete naturale. Si chiamano magnete artificiali le sostanze che, come il ferro, hanno acquistato proprietà magnetiche grazie a particolari trattamenti di magnetizzazione. Elettricità e magnetismo. Realizzato da Christian Rossatto. Supervisione del Prof. Piero Scotto 4
La magnetizzazione si può ottenere in vari modi: - per strofinio: si ottiene strofinando, sempre nello stesso senso, il materiale da magnetizzare, sullo stesso polo di una calamita; - per contatto: si ottiene mettendo il materiale da magnetizzare a contatto con una calamita; - per induzione: si ottiene semplicemente avvicinando il materiale da magnetizzare a una calamita. La calamita Una calamita attrae corpi ferrosi in corrispondenza delle sue due estremità che sono chiamate poli magnetici. Questi due poli non sono uguali e si distinguono in polo nord (N) e polo sud (S). I poli magnetici non si possono mai separare. Attirando materiali magnetizzabili, una calamita crea un raggio di azione di questa forza magnetica. La regione di spazio in cui questi effetti si fanno sentire si chiama campo magnetico, questo campo è formato da linee di forza, cioè linee invisibili che escono dal polo nord ed entrano dal polo sud. E possibile visualizzare le linee di forza facendo piovere della limatura di ferro su un piano di cartoncino appoggiato su una calamita (figura 8). FIGURA 8 Effetto magnetico Il fisico danese H. C. Oersted nel 1820 scoprì che l ago di una bussola, posto nelle immediate vicinanze di un circuito elettrico percorso da corrente, si metteva in movimento. Oersted aveva scoperto che cariche elettriche in movimento generano un campo magnetico, l esperienza di Oersted portò a concepire in modo nuovo i rapporti tra i fenomeni elettrici e quelli magnetici: nasceva così l elettromagnetismo. Per la verità la scoperta del fenomeno dovrebbe essere attribuita al giurista e fisico italiano Giandomenico Romagnosi, che nel 1802 scoprì il fenomeno e ne diede notizia su giornali locali, che passarono inosservati. Romagnosi Elettricità e magnetismo. Realizzato da Christian Rossatto. Supervisione del Prof. Piero Scotto 5