ELETTRICITA` E MAGNETISMO

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 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
protoni 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.
FIGURA 2 ►
si
respingono
si
respingono
si
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
q ⋅q
quadrato della distanza che le separa: F = k 1 2 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
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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.
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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
pila da 4,5 V
FIGURA 5 ▲
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).
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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.
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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
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