Raffaele Ilardo


Cos'è l'elettricità


Questa pagina illustra dei concetti fondamentali utili a chi inizia
ma anche a chi ritiene di avere qualche dubbio da chiarire

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Materia e carica elettrica

L'elettricità nasce dalla stessa materia che esiste intorno a noi. La materia, come noto, è fatta di atomi, e gli atomi, a loro volta, sono formati da varie particelle, tra cui gli elettroni e i protoni. Queste particelle presentano una caratteristica fondamentale: hanno una carica elettrica.
Non è semplice descrivere che cos'è una carica elettrica, anche perchè non possiamo vederla nè, in genere, percepirla! Possiamo solo dire che si tratta di una proprietà della materia e che è caratterizzata da un segno: con il segno "+" si indica una carica positiva, con il segno "-" una carica negativa.
Come tutte le grandezze fisiche, anche la carica elettrica ha la sua unità di misura: il "coulomb", che si indica con una "C" maiuscola.
E' interessante notare che la carica elettrica non può avere un valore qualsiasi, ma può solo essere multipla di una grandezza di riferimento, che è la carica dell'elettrone.
Numericamente, la carica dell'elettrone ha il valore -e = -1C /(6,24 x 1018) = -1,602 x 10 -19 C

Quando un atomo perde elettroni

piccolo manuale di elettronica applicata
Secondo le ultime teorie della fisica quantistica, l'atomo sarebbe costituito da un nucleo centrale, contenente protoni e neutroni, circondato da orbitali, ovvero da zone dello spazio, dove risulterebbe maggiormente probabile la presenza di elettroni.
Gli elettroni, che hanno carica elettrica negativa, sono presenti nell'atomo in numero uguale ai protoni del nucleo, che hanno carica positiva; per tale motivo, in condizioni normali, l'atomo non ha una carica, ovvero è elettricamente neutro.
I fenomeni elettrici si verificano quando l'equilibrio tra cariche positive e negative viene a mancare. In vari modi è possibile aggiungere o sottarre elettroni agli atomi di un certo materiale: è quello che succede, per esempio, strofinando un bastoncino di vetro con un panno di lana. In tal caso, in seguito all'effetto meccanico dello sfregamento, un certo numero di elettroni si trasferisce dal vetro al panno di lana. Per tale motivo, avendo perso delle cariche negative, il bastoncino di vetro si "elettrizza", ovvero diventa carico positivamente. In tali condizioni, se si avvicinano al bastoncino dei corpi leggeri, come i classici pezzetti di carta, il bastoncino li attrae.
Si tratta della semplice dimostrazione di un fenomeno elettrico, che è in ogni caso dovuto alla carica elettrica causata dallo spostamento di elettroni.

La corrente elettrica

E' bene osservare che gli stati di elettrizzazione dovuti alla presenza di cariche in eccesso tendono nel tempo ad annullarsi; in altre parole, la materia tende ad essere sempre elettricamente neutra.
scarica elettrostatica che si avverte scendendo dall'automobile
Specialmente nelle giornate asciutte, la carrozzeria dell'auto si elettrizza per lo strofinio con l'aria; nel momento in cui scendiamo, il nostro corpo mette in contatto con la terra la carrozzeria, provocandone la scarica
Quando un corpo che presenta cariche in eccesso viene messo in qualche modo in contatto con un corpo che possiede cariche in difetto, si determina immediatamente un passaggio di cariche, che tende a riportare i due corpi alla neutralità. Ce ne accorgiamo, per esempio, dalla scarica che sentiamo quando, scendendo dall'automobile, il nostro corpo mette la carrozzeria in contatto col suolo
Tutte le volte che due corpi aventi cariche differenti vengono messi in contatto da un corpo che faccia da conduttore, in quest'ultimo si verifica un passaggio di cariche.
Gli elettroni degli atomi, in effetti, possono spostarsi all'interno della materia; si tratta degli elettroni dello strato più esterno di ciascun atomo, quelli che con maggiore facilità riescono ad abbandonare l'atomo di appartenenza per trasferirsi ad atomi vicini.
Questo flusso di elettroni, causato dalla differenza di carica fra un corpo e l'altro, è esattamente ciò che viene definito "corrente elettrica".

La forza che muove la corrente

Nella pratica quotidiana siamo abituati a sentir parlare di corrente che scorre nei fili. I fili sono in effetti dei "conduttori" che consentono il passaggio di cariche elettriche al loro interno. Come si è detto, il passaggio di cariche si verifica quando il conduttore mette in contatto tra loro due corpi aventi diversa carica elettrica.
passaggio di cariche fra due corpi a diverso potenziale

Sul corpo 1 si sono accumulate delle cariche tali da portare il suo potenziale al valore V1, maggiore del valore V2 presente sul corpo 2; se mettiamo in contatto elettrico i due corpi tramite un conduttore C, in questo si verificherà un flusso di cariche elettriche, fino a quando i due potenziali avranno raggiunto lo stesso valore
La presenza di questo "dislivello" di cariche fra un estremo e l'altro del conduttore equivale esattamente ad una forza che spinge, ed in effetti assume il nome di "forza elettromotrice".
Possiamo quindi concludere che un corpo, ove in qualunque modo si sia determinata la prevalenza di cariche di una certa polarità, possiede la capacità di spingere o attirare altre cariche; osserviamo che questa capacità è "potenziale", cioè ha la possibilità di manifestarsi, ma si manifesta solo in determinate condizioni.
Proprio perchè si parla di una potenzialità, cioè della possibilità di compiere un lavoro, questo stato di carica elettrica viene definito "potenziale".
Anche il potenziale di un corpo ha naturalmente la sua unità di misura: è il "volt", che si indica con una V maiuscola.

Osserviamo che il potenziale elettrico di un corpo è strettamente legato alla quantità di carica che esso ha accumulato, secondo un rapporto espresso dalla formula
V = Q / C
dove Q rappresenta la quantità di cariche accumulate sul corpo in esame, e V il potenziale che esso assume; la grandezza indicata con C esprime la capacità che ha il corpo di accumulare delle cariche, e in effetti assume proprio il nome di "capacità".
Se un corpo è molto esteso, le cariche che eventualmente vi si accumulano tendono a disperdersi, facendo salire di poco il potenziale: diremo che un simile corpo ha una grande capacità.
Viceversa, se un corpo è piccolo, per cui la sua capacità è modesta, anche poche cariche faranno salire in modo sensibile il suo potenziale.

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Tensione e differenza di potenziale

Abbiamo visto che un corpo ove si siano addensate delle cariche elettriche assume un certo potenziale; due corpi, con diversa quantità di cariche, o con cariche di segno opposto, presentano due valori di potenziale differenti. Se con il nostro filo conduttore mettiamo in contatto i due corpi, fre i due estremi del conduttore risulterà presente una "differenza di potenziale".
Sarà proprio tale condizione che determinerà il movimento di elettroni nel conduttore, e cioè vi farà scorrere della corrente elettrica. La corrente nel filo conduttore scorrerà facendo spostare le cariche dal corpo a potenziale maggiore a quello a potenziale minore, e cesserà di scorrere quando i due corpi saranno arrivati allo stesso potenziale. Raggiunto l'equilibrio fra i due corpi, il flusso di cariche termina, poichè viene a mancare quello stato di "tensione" che lo aveva determinato.
In effetti, la forza che muove la corrente elettrica, ha ancora un altro nome, che è proprio quello di "tensione"; per l'esattezza, tensione elettrica.

Possiamo concludere dicendo che i fenomeni elettrici si manifestano quando si verifica uno spostamento di cariche fra corpi a potenziale diverso. Le cariche si spostano per effetto di quella che viene chiamata forza elettromotrice, o anche differenza di potenziale o, ancora, tensione.
Vedremo in seguito le sottili differenze che esistono tra questi termini.