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 attrattive.

L'elettrostatica è lo studio delle interazioni 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). .

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.

Nei solidi le cariche positive sono costituite dai protoni che sono confinati in posizioni fisse e il trasporto di cariche elettriche è dovuto al moto delle particelle negative, gli elettroni. In base alla mobilità delle cariche negative i materiali vengono classificati in conduttori, isolanti e semiconduttori. Nel primo caso gli elettroni sono liberi di muoversi all'interno di tutto il volume del corpo, permettendo quindi il passaggio di cariche elettriche. In generale i metalli e le leghe sono buoni conduttori di corrente. Nei materiali isolanti o dielettrici, quali il vetro, la gomma e il legno asciutto, gli elettroni sono invece strettamente vincolati agli atomi; come conseguenza di ciò una sostanza isolante non può essere attraversata da un flusso di cariche, ovvero da una corrente elettrica.

In natura non esistono né isolanti né conduttori perfetti; i migliori conduttori a temperatura ambiente offrono una resistenza piccola, ma non nulla, al passaggio di corrente; i migliori isolanti offrono una resistenza grandissima, ma non infinita. Alcuni metalli, tuttavia, mostrano un comportamento particolare e perdono la loro resistenza a temperature prossime allo zero assoluto; questo fenomeno prende il nome di superconduttività e il suo studio è uno dei principali settori di ricerca della fisica moderna.

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.

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 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.

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.

Il movimento di un ago magnetico posto in prossimità di un conduttore percorso da corrente indica la presenza di un campo magnetico (vedi Magnetismo); ciò significa che una carica elettrica in moto genera un campo magnetico nello spazio circostante.

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.

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.

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; 3) pile, che generano forza elettromotrice attraverso un processo elettrochimico; 4) dispositivi che producono forza elettromotrice per azione del calore; 5) dispositivi che generano forza elettromotrice mediante effetto fotoelettrico; 6) dispositivi che producono forza elettromotrice per effetto piezoelettrico.

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.

La proprietà dell'ambra strofinata di attirare oggetti leggeri era probabilmente già nota al filosofo greco Talete di Mileto, intorno al 600 a.C. Negli scritti di Teofrasto, che risalgono a tre secoli dopo, vengono citati altri materiali che godono della stessa proprietà. Il primo studio scientifico dei fenomeni elettrici e magnetici, tuttavia, apparve solo nel 1600 d.C., quando furono pubblicate le ricerche del fisico britannico William Gilbert. Fissata la distinzione elettricità e magnetismo, questi chiamò elettrica (dal greco, elektron, "ambra") la forza che si esercita tra cariche.

La prima macchina per produrre cariche elettriche fu descritta nel 1672 dal fisico tedesco Otto von Guericke. Si trattava di una sfera di zolfo, messa in rotazione per mezzo di una manovella, che si elettrizzava quando si appoggiava una mano su di essa. Lo scienziato francese Charles François de Cisternay du Fay fu il primo a riconoscere l'esistenza di due tipi di cariche elettriche. Nel 1745 fu introdotto il primo condensatore, la bottiglia di Leida, che consisteva in un recipiente di vetro ricoperto all'interno e all'esterno con due fogli di carta stagnola; dopo aver caricato le due armature con una macchina elettrostatica, si produceva una violenta scossa toccandole contemporaneamente.

Nel corso del suo famoso esperimento con l'aquilone, Benjamin Franklin provò che l'elettricità atmosferica, responsabile della formazione dei tuoni e dei fulmini, è identica alla carica elettrostatica di una bottiglia di Leida. Franklin elaborò una teoria secondo cui l'elettricità sarebbe un "fluido" presente in tutta la materia; in questa ipotesi, i due stati di elettrizzazione di un corpo sarebbero dovuti all'eccesso o alla carenza di tale fluido.

La legge secondo cui la forza esercitata tra cariche elettriche è proporzionale all'inverso del quadrato della loro distanza fu provata sperimentalmente intorno al 1766 dal chimico britannico Joseph Priestley. Questi dimostrò inoltre che una carica elettrica si distribuisce uniformemente sulla superficie di una sfera metallica cava e che, in condizioni di equilibrio, il campo elettrico all'interno di un conduttore è sempre nullo. Mediante la sua bilancia di torsione, Coulomb determinò accuratamente la forza che si esercita tra cariche elettriche, confermando le osservazioni di Priestley e mostrando che la forza tra due cariche è proporzionale al loro prodotto. Importanti contributi allo studio dell'elettricità furono dati da Faraday, autore della teoria delle linee di forza.

I primi esperimenti sul comportamento della corrente elettrica vennero eseguiti dagli scienziati italiani Luigi Galvani e Alessandro Volta. Galvani ottenne la contrazione dei muscoli nelle zampe di rana applicando a esse una corrente elettrica e Volta, nel 1800, annunciò l'invenzione della prima pila elettrica. Il fatto che esistesse un campo magnetico attorno a un filo percorso da corrente elettrica venne dimostrato nel 1819 dallo scienziato danese Hans Christian Oersted, e nel 1831 Faraday provò che una corrente che scorre in una bobina può indurre una corrente in una seconda bobina posta in prossimità della prima. Intorno al 1840 James Prescott Joule e Hermann von Helmholtz dimostrarono che i fenomeni elettrici obbediscono alla legge di conservazione dell'energia.

Un importante contributo allo studio dell'elettricità fu l'opera del fisico-matematico britannico James Clerk Maxwell, il quale sviluppò la teoria della luce come radiazione elettromagnetica e formulò le leggi fondamentali dell'elettromagnetismo, oggi note come equazioni di Maxwell. La conferma della validità della sua teoria si ebbe con le ricerche del fisico tedesco Heinrich Hertz, che nel 1886 riuscì a produrre e a rivelare le onde elettromagnetiche nell'atmosfera, e dell'ingegnere italiano Guglielmo Marconi, il quale nel 1896 sfruttò queste onde realizzando il primo sistema pratico di comunicazione radio.

La teoria elettronica, che è la base della moderna teoria dell'elettricità, fu enunciata nel 1892 dal fisico danese Hendrik Antoon Lorentz. La prima misura accurata della carica dell'elettrone fu ottenuta nel 1909 dal fisico statunitense Robert Andrews Millikan. L'uso generalizzato dell'elettricità come sorgente di energia è dovuto in gran parte al lavoro pionieristico di inventori e tecnologi come Thomas Alva Edison, Nikola Tesla e Charles Proteus Steinmetz.

Induzione elettrica

Avvicinando un corpo negativamente carico A a un conduttore B, sulla superficie di quest'ultimo ha luogo una separazione totale di cariche: in prossimità dell’induttore insorge una distribuzione di cariche positive, mentre dalla parte opposta si ha una carica negativa di uguale intensità. Lo stesso corpo A, avvicinato a un materiale isolante C, induce una polarizzazione a livello atomico: lo strato immediatamente adiacente ad A acquista carica opposta a quella inducente, quello successivo carica concorde e così via.