Unità 7 La corrente elettrica nei liquidi e nei gas
1. Le soluzioni elettrolitiche M. Faraday scoprì che una soluzione di acqua (di per sé isolante) con un sale, una base o un acido è conduttrice di elettricità; l'esperimento si realizza mediante una cella elettrolitica, che è un recipiente contenente la soluzione e due elettrodi metallici, collegati ad un generatore. Se il liquido è conduttore, l'amperometro segna passaggio di corrente.
Le soluzioni elettrolitiche La debolissima conduzione dell'acqua distillata aumenta notevolmente aggiungendo quantità anche piccole di sali, basi o acidi. Qualsiasi sostanza che, disciolta nell'acqua, la rende conduttrice si chiama elettrolita; le sostanze organiche sono non-elettroliti. Gli esperimenti mostrano che per le soluzioni elettrolitiche vale la prima legge di Ohm, finché la temperatura è lontana da quella di ebollizione.
La dissociazione elettrolitica Il comportamento delle soluzioni elettrolitiche si spiega con la struttura chimica degli elettroliti: ad esempio il sale da cucina è formato da un reticolo cristallino in cui si alternano ioni sodio (Na + ) e ioni cloro (Cl ); questi ioni si sono formati in seguito al trasferimento di un elettrone dal Na al Cl.
La dissociazione elettrolitica Tra gli ioni di segno opposto agisce il legame ionico, dovuto all'attrazione elettrostatica. Il legame ionico mantiene coeso il reticolo; quando però il sale è sciolto in acqua il legame si indebolisce e gli ioni si liberano dal cristallo. Questo accade perché la molecola dell'acqua è polare: all'interno la carica è distribuita in modo asimmetrico.
La dissociazione elettrolitica La molecola d'acqua si comporta come un dipolo elettrico.
La dissociazione elettrolitica Gli ioni disciolti possono muoversi liberamente nell'acqua; il fenomeno di dissoluzione delle sostanze ioniche in acqua si chiama dissociazione elettrolitica o ionica. Le sostanze organiche, come lo zucchero, hanno struttura molecolare formata da forti legami covalenti: l'acqua può sciogliere i deboli legami tra molecole, che però sono neutre e quindi incapaci di condurre corrente.
5. La conducibilità nei gas In un gas isolato non vi sono portatori di carica: per sua natura, il gas è un isolante perfetto; tuttavia un gas può diventare conduttore se un agente esterno ionizza alcune delle sue molecole. Gli agenti ionizzanti sono radiazioni elettromagnetiche (u.v., X, gamma) oppure particelle veloci (elettroni, protoni); in un gas ionizzato sono presenti: ioni positivi, elettroni liberi e ioni negativi (che si formano se una molecola cattura un elettrone libero).
La conducibilità nei gas Per esempio: Un gas è sempre soggetto all'azione di agenti ionizzanti (raggi solari e cosmici, radioattività...).
Le scariche elettriche nei gas Per osservare la scarica elettrica in un gas lo si rinchiude in un tubo trasparente, ai cui estremi vi sono due elettrodi. Variando il valore di R, si osserva che V e i non sono direttamente proporzionali: per i gas non vale la prima legge di Ohm.
6. I raggi catodici Quando la pressione del gas nel tubo è di 10-1 -10-2 Pa, sulla parete di fronte al catodo compare una macchia fluorescente. La fluorescenza è stata scoperta nell'ottocento ed è dovuta ai raggi catodici: sono gli elettroni emessi dal catodo, in seguito al bombardamento di ioni positivi.
I raggi catodici Gli ioni positivi sono accelerati dal catodo e vi giungono, urtandolo ed estraendone elettroni; gli elettroni emessi, detti raggi catodici, sono a loro volta attratti verso l'anodo, che è cavo: a causa della loro forte velocità v, lo superano ed urtano sulla parete di vetro del tubo (se V = 10 4 V, v 100 000 km/s); le molecole del vetro assorbono l'energia cinetica e la riemettono sotto forma di fluorescenza luminosa.
Il tubo a raggi catodici È utilizzato negli schermi di televisori e computer: è un tubo di vetro a forma di imbuto, in cui è stato fatto il vuoto. Gli elettroni, in questo caso, vengono emessi dal catodo per effetto termoionico ad alta temperatura; sono accelerati verso l'anodo e alcuni di essi passano attraverso il suo foro.
Il tubo a raggi catodici Gli elettroni del fascio hanno praticamente tutti la stessa energia e sono diretti verso il centro dello schermo fluorescente opposto al catodo; il fascio si direziona usando forze elettriche o magnetiche: nell'oscilloscopio il puntino luminoso generato dal fascio viene fatto muovere da due campi elettrici dovuti a due condensatori.