Elettricità

Che cosa è l’elettricità?

E' la proprietà che accomuna i materiali elettrici.

Che cosa sono i materiali elettrici?

sono i materiali che si comportano come l'ἤλεκτρον (elektron), l’ambra.

Antica Grecia

Nel 600 aC Talete di Mileto osserva che un pezzetto di ambra (resina fossile), se strofinato sulla pelliccia di animali, è capace di attrarre piccoli pezzi di foglie.

Il secolo della Scienza

Nel 1600 dC William Gilbert compie diversi esperimenti con l’ambra e scopre che questa è in grado di attrarre diversi materiali, non solo piccoli pezzi di paglia ma anche foglie, metali, legno, gocce di olio e perfino gocce di acqua: gli unici materiali che sembra non siano attratti sono quelli rarefatti, come l’aria.
La domanda successiva che si pone Gilbert è se l’ambra sia davvero l’unico materiale con la particolare proprietà di poter attrarre a sé diversi materiali una volta elettrizzata. Gilbert compie esperimenti con altri materiali e scopre che anche il vetro, lo zolfo, la cera e diversi altri minerali mostrano la stessa proprietà mentre il legno, diversi metalli, gemme e magneti non la possiedono.
Gilbert decide così di chiamare elettrici tutti i materiali che si comportano come l’ambra e non elettrici quelli che non condividono questo comportamento.

Nel 1546 Girolamo Fracastoro aveva presentato il suo perpendiculo che poteva essere utilizzato per compiere esperimenti sull’elettricità.

In pratica una massa viene appesa attraverso un filo a un supporto e si dispone a piombo lungo la verticale; il dispositivo permette di visualizzare effetti di attrazione anche per oggetti leggeri.

In seguito Gilbert modfica il perpendiculo per creare il versorio, uno strumento (simile a una bussola) in cui un elemento orizzontale è libero di ruotare attorno a un perno, sostenuto da un elemento verticale connesso a una base.

Gilbert potè utilizzare il versorio per osservare il comportamento della forza elettrica nello spazio: una serie di versori disposti lungo una circonferenza attorno a un materialie elettrizzato si orientano tutti verso il centro della circonferenza: l’attrazione segue una direzione radiale.

Nel 1663 Otto Von Guericke riusce a elettrizzare per strofinio una palla di zolfo e con questa compie una serie di esperimenti, in uno di questi riesce a mantenere in volo delle piume sopra la palla elettrizzata.

Nel 1708 Hauksbee perfeziona il dispositivo di Von Guericke e realizza la prima macchina elettrica, costruita apposta per elettrizzare corpi per strofinio (effetto triboelettrico).

Nel 1729 Gray scopre che un materiale elettrico può perdere la sua elettricità se una volta elettrizzato viene in contatto per esempio con la mano dello sperimentatore.

I suoi studi vengono ripresi nel 1733 da Du Fay che per primo individua l’esistenza del fenomeno di repulsione

e introduce il principio di Attrazione-Contatto-Repulsione:

(a) un corpo inizialmente neutro, non elettrizzato, subisce l’attrazione da parte di un corpo elettrizzato; (b) una volta che i due vengono in contatto, il primo corpo (c) è respinto dal corpo elettrizzato - repulsione.
Du Fay riconosce l’esistenza di due tipi di elettricità, quella resinosa che accomuna i materiali che si comportano come l’ambra (gomma, resina, legno e cera) e quella vitrosa che accomuna i materiali che si comportano come il vetro (pelle, lana, quarzo).
Fu una scoperta tanto importante quanto inaspettata, come si capisce dalle parole dello stesso Du Fay
All this was in agreement with my hypothesis, but what disconcerted me prodigiously, was the following experiment.
After floating in air a gold leaf by means of the [electrified glass] tube, I approached the leaf with a piece of rubbed and electrified gum copal, the leaf applied itself immediately to it [that is, the gold leaf was attracted by the rubbed gum copal], and stayed there.
I confess I had expected quite the opposite effect, since, according to my reasoning, the copal and the gold leaf, which are both electrified, should have repelled each other.
Se avviciniamo materiali che hanno lo stesso tipo di elettricità questi si respingono, mentre materiali di gruppi diversi se avvicinati si attraggono.
Si dice che i materiali vetrosi hanno carica negativa, quelli resinosi carica positiva.

Sull’altra sponda dell’Atlantico

Sull’altra sponda dell’oceano Atlantico, in America, Benjamin Franklin introduce la prima teoria che cerca di spiegare i fenomeni elettrici descritti.
Benjamin Franklin conosce gli esperimenti che sono stati fatti in Europa e utilizza spesso la bottiglia di Leida (Leyden jar), un dispositivo in grado di accumulare carica elettrica una volta elettrizzato con una macchina elettrica (generatore elettrostatico).

Nel 1748 Franklin introduce l’ipotesi dell’esistenza di un fluido (fuoco) elettrico che tutti i corpi possiedono in quantità variabile: se un corpo possiede troppo fuoco allora è carico positivamente, viceversa, se ne ha troppo poco, è carico negativamente; stabilisce inoltre che i corpi vetrosi hanno un eccesso di fuoco elettrico e li chiama positivi (positivamente carichi), mentre quelli resinosi ne hanno un difetto e li chiama negativi (carichi negativamente).
Secondo Franklin il fuoco elettrico si comporta come un fluido e si sposta dal corpo che ne possiede in eccesso a quello che ne ha in difetto - in maniera analoga a quanto osservato per i fluidi nei vasi comunicanti.

La scoperta dell’elettrone e dell’atomo

L’ipotesi formulata da Franklin in realtà non era corretta, ma nonostante questo, prima che si scoprisse cosa si nascondesse dietro l’elettricità furono inventati il telegrafo, la lampadina, il telegrafo senza fili e i primi modelli della radio.
Quasi 150 anni dopo che Franklin aveva formulato la sua ipotesi, nel 1897 a Cambridge, in Inghilterra, J.J. Thomson scopre che l’atomo non è il costituente ultimo della materia: all’interno di un atomo infatti è presente una particella elettricamente carica, con carica negativa, l'elettrone.
Thomson osserva sperimentalmente che una corrente elettrica è un flusso ordinato di elettroni in movimento, che si spostano (in media) da dove c’è un eccesso di elettroni (polo negativo) a una zona in cui è presente un difetto di elettroni (polo positivo).
L’osservazione sperimentale è in contrasto con quanto ipotizzato da Franklin, ovvero sia che il fluido elettrico si sposta da una zona in cui si trova in eccesso a una in cui è presente in difetto.

Struttura dell’atomo e cariche elettriche

Nel 1909 un allievo di Thomson, Ernest Rutherford, scoprì che l’atomo è essenzialmente costituito dal vuoto e che la maggior parte della massa e della carica positiva si trova concentrata in una piccola frazione del suo volume, il nucleo.
Il nucleo si trova essenzialmente al centro dell’atomo ed è composto da protoni (cariche elettriche positive) e neutroni (elettricamente neutri), tenuti assieme da forze nucleari. Attorno al nucleo orbitano gli elettroni, che si trovano in numero pari a quello dei protoni.

Con la scoperta dell’atomo si comprende l’esistenza delle cariche elettriche: la carica elettrica positiva corrisponde a quella di un protone, mentre quella negativa corrisponde a quella di un elettrone. Cariche dello stesso segno si respingono, mentre cariche di segno opposto si attraggono.

Le differenze osservate quasi trecento anni prima da Gilbert, Du Fay e altri possono finalmente essere spiegate grazie al concetto di carica elettrica. Inoltre i materiali possono essere distinti, in funzione della loro capacità di cedere la carica elettrica acquisita, tra isolanti, che non possono scaricarsi per contatto, e conduttori, che invece per contatto si scaricano. Infatti, in un materiale isolante gli elettroni sono vincolati a rimanere nell’atomo, mentre in un conduttore gli elettroni esterni, in determinate circostanze, sono in grado di lasciare l’atomo e di passare da un atomo a un altro.
Quando il movimento - flusso - di elettroni avviene in maniera ordinata e coinvolge molti atomi, allora siamo in presenza di una corrente elettrica.

Spiegazione comportamento dell'elektron

Dati un pezzo di ambra e una pelliccia, entrambi inizialmente neutri da un punto di vista elettrico, se si strofina l’ambra sul panno, l’ambra si carica negativamente e il panno acquisisce carica positiva.

Se l’ambra viene avvicinata a un frammento di foglia (materiale non conduttore), gli elettroni presenti negli atomi che costituiscono le foglie, in presenza della vicinanza di una carica negativa (eccesso di elettroni nell’ambra), trascorreranno la maggior parte del tempo nella parte del nucleo rivolta dalla parte opposto dell’ambra – in virtù della repulsione tra cariche dello stesso segno. Il risultato è un'apparente carica positiva della superficie delle foglie rivolte dalla parte dell’ambra che fa sì che le foglie vengano attratte verso il cristallo.

Campo elettrico e potenziale elettrico

Il campo elettrico, E, è un campo che circonda una carica elettrica e rappresenta la capacità di una (o più cariche) di attrarre o repellere altre cariche esercitando una forza.

Il potenziale elettrico, V, è la quantità di lavoro necessaria per spostare una carica positiva unitaria da un punto di riferimento (a distanza molto grande o infinita) a un determinato punto P nello spazio attraverso un campo elettrico, senza accelerarla.

Grandezze elettriche e legge di Ohm

Le grandezze elettriche sono:

• intensità di corrente, I, [A] Ampere. L’intensità di corrente è proporzionale al flusso di elettroni (numero e velocità).
• tensione o differenza di potenziale, &Delta V, [V] Volt. La differenza di potenziale è il lavoro necessario a spostare una carica unitaria tra due punti che si trovano a un potenziale diverso (differenza di potenziale) [J/C].
• resistenza, R, [Ohm]. La resistenza esprime la resistenza che un materiale offre allo scorrere del flusso di elettroni, e è proporzionale alla resistività, che è una proprietà intrinseca di un materiale.

Nel 1837 lo scienziato tedesco Georg Ohm introduce la legge che da lui prenderà il nome, la legge di Ohm, che esprime il rapporto tra le tre grandezze elettriche fondamentali, in particolare:
I=V/R
L’intensità di corrente, una volta fissato il materiale (e dunque R) è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale applicata; se invece consideriamo di avere una differenza di potenziale costante, allora l’intensità di corrente risulta inversamente proporzionale alla resistenza del materiale.