Elettricità
L’elettricità è intorno a noi – alimenta la tecnologia come telefoni cellulari, computer, luci, condizionatori d’aria, stampante 3D, ecc.
È difficile sfuggirle nel nostro mondo moderno.
Anche quando provi a evitare di usare elettricità, lei è ancora al lavoro nella natura stessa, dai fulmini in un temporale alle sinapsi all’interno del nostro corpo.
Ma che cosa esattamente è l’elettricità?
Questa è una domanda molto complicata, e mentre scavi più a fondo e fai più domande, non c’è davvero una risposta definitiva, solo rappresentazioni astratte di come essa interagisce con ciò che ci circonda.
L’elettricità è un fenomeno naturale che si verifica in tutta la natura e assume molte forme diverse. In questo tutorial ci concentreremo sull’elettricità attuale: le cose che alimentano i nostri gadget elettronici. Il nostro obiettivo è capire come l’elettricità fluisce da una fonte di alimentazione attraverso i fili, accendendo i LED, facendo girare i motori e alimentando i nostri dispositivi di comunicazione.
L’elettricità viene brevemente definita come il flusso della carica elettrica, ma c’è così tanto dietro questa semplice affermazione.
Da dove provengono le cariche? Come si spostano? Dove si trasferiscono? In che modo una carica elettrica provoca movimento meccanico o fa illuminare le cose?
Così tante domande!
Per iniziare a spiegare cos’è l’elettricità, dobbiamo ingrandire, oltre la materia e le molecole, gli atomi che compongono tutto ciò con cui interagiamo nella vita.
Atomi
Per comprendere i fondamenti dell’elettricità, dobbiamo iniziare concentrandoci sugli atomi, uno dei mattoni fondamentali della vita e della materia.
Gli atomi esistono in oltre cento forme diverse come elementi chimici come idrogeno, carbonio, ossigeno e rame.
Atomi di molti tipi possono combinarsi per creare molecole, che costruiscono la materia che possiamo vedere e toccare fisicamente.
Gli atomi sono minuscoli e si estendono fino a un massimo di circa 300 picometri (ovvero 3×10 -10 o 0,0000000003 metri).
Due centesimi di euro (se effettivamente fossero fatti al 100% di rame) avrebbero al loro interno 3,2 atomi 22 (32.000.000.000.000.000.000.000.000.000 di atomi).
Anche l’atomo non è abbastanza piccolo da spiegare il funzionamento dell’elettricità.
Dobbiamo scendere di un altro livello e osservare gli elementi dell’atomo: protoni, neutroni ed elettroni.
Un atomo è costruito con una combinazione di tre particelle distinte: elettroni, protoni e neutroni.
Ogni atomo ha un nucleo centrale, dove i protoni e i neutroni sono densamente raggruppati insieme.
Intorno al nucleo sono un gruppo di elettroni in orbita.
Ogni atomo deve contenere almeno un protone.
Il numero di protoni in un atomo è importante, perché definisce quale elemento chimico rappresenta l’atomo.
Ad esempio, un atomo con un solo protone è idrogeno, un atomo con 29 protoni è rame e un atomo con 94 protoni è plutonio.
Questo conteggio dei protoni è chiamato il numero atomico dell’atomo.
Gli elettroni sono fondamentali per il funzionamento dell’elettricità (si intuisce anche dal nome).
Nel suo stato più stabile ed equilibrato, un atomo avrà lo stesso numero di elettroni dei protoni.
Gli elettroni dell’atomo non sono tutti legati per sempre all’atomo.
Gli elettroni sull’orbita esterna dell’atomo sono chiamati elettroni di valenza.
Con una forza esterna sufficiente, un elettrone di valenza può sfuggire all’orbita dell’atomo e diventare libero.
Gli elettroni liberi ci consentono di spostare la carica, che è l’elettricità.
L’elettricità è definita come il flusso di carica elettrica
La carica è una proprietà della materia, proprio come la massa, il volume o la densità.
Il concetto chiave con carica è che può venire in due tipi: positivo (+) o negativo (-).
Per spostare la carica abbiamo bisogno di portatori di carica, ed è qui che la nostra conoscenza delle particelle atomiche – in particolare elettroni e protoni – è utile.
Gli elettroni portano sempre una carica negativa, mentre i protoni sono sempre caricati positivamente.
I neutroni (fedeli al loro nome) sono neutrali, non hanno alcun costo.
Sia gli elettroni che i protoni trasportano la stessa quantità di carica, solo un tipo diverso.
La carica di elettroni e protoni è importante, perché ci fornisce i mezzi per esercitare una forza su di essi.
Forza elettrostatica!
Forza elettrostatica
La forza elettrostatica è una forza che opera tra le cariche.
Afferma che cariche dello stesso tipo si respingono a vicenda, mentre cariche di tipi opposti sono attratte insieme.
+→ ← – (Si attraggono)
←+ +→ (si respingono)
←- -→ (si respingono)
La quantità di forza che agisce su due cariche dipende da quanto distano l’una dall’altra.
Più si avvicinano le due cariche, maggiore è la forza (che si unisce o si allontana).
Grazie alla forza elettrostatica, gli elettroni spingeranno via altri elettroni e saranno attratti dai protoni.
Questa forza fa parte del collante che tiene insieme gli atomi, ma è anche lo strumento di cui abbiamo bisogno per far fluire gli elettroni (e le cariche).
Ora abbiamo tutti gli strumenti per far fluire le cariche.
Gli elettroni negli atomi possono fungere da nostro vettore di carica, perché ogni elettrone ha una carica negativa.
Se possiamo liberare un elettrone da un atomo e costringerlo a muoversi, possiamo creare elettricità.
Considera il modello atomico di un atomo di rame, una delle fonti elementali preferite per il flusso di carica.
Nel suo stato equilibrato, il rame ha 29 protoni nel suo nucleo e un numero uguale di elettroni che orbitano attorno ad esso.
Gli elettroni orbitano a varie distanze dal nucleo dell’atomo.
Gli elettroni più vicini al nucleo avvertono un’attrazione molto più forte verso il centro rispetto a quelli in orbite distanti.
Gli elettroni più esterni di un atomo sono chiamati elettroni di valenza, questi richiedono la minima quantità di forza per essere liberati da un atomo.
Usando abbastanza forza elettrostatica sull’elettrone di valenza – spingendolo con un’altra carica negativa o attirandolo con una carica positiva – possiamo espellere l’elettrone dall’orbita attorno all’atomo creando un elettrone libero.
Consideriamo ora un filo di rame: materia piena di innumerevoli atomi di rame.
Mentre il nostro elettrone libero fluttua in uno spazio tra gli atomi, viene tirato e indotto dalle cariche circostanti in quello spazio.
In questo caos l’elettrone libero alla fine trova un nuovo atomo a cui aggrapparsi; così facendo, la carica negativa di quell’elettrone espelle un altro elettrone di valenza dall’atomo.
Ora un nuovo elettrone si sta spostando nello spazio libero cercando di fare la stessa cosa. Questo effetto a catena può continuare all’infinito per creare un flusso di elettroni chiamato corrente elettrica.
Conducibilità
Alcuni tipi elementali di atomi sono migliori di altri nel rilasciare i loro elettroni.
Per ottenere il miglior flusso di elettroni possibile, vogliamo usare atomi che non si attengono strettamente ai loro elettroni di valenza.
La conduttività di un elemento misura quanto un elettrone sia strettamente legato a un atomo.
Gli elementi ad alta conducibilità, che hanno elettroni molto mobili, sono chiamati conduttori.
Questi sono i tipi di materiali che vogliamo utilizzare per realizzare fili e altri componenti che favoriscono il flusso di elettroni.
Metalli come rame, argento e oro sono di solito le nostre migliori scelte per buoni conduttori.
Gli elementi con bassa conduttività sono chiamati isolanti.
Gli isolanti hanno uno scopo molto importante: impediscono il flusso di elettroni.
Isolanti comuni sono vetro, gomma, plastica e aria.
Elettricità statica o corrente
Prima di andare molto oltre, parliamo delle due forme che l’elettricità può assumere: statica o corrente.
Lavorando con l’elettronica, l’elettricità attuale sarà molto più comune, ma anche l’elettricità statica è importante da capire.
Elettricità statica
L’elettricità statica esiste quando vi è un accumulo di cariche opposte su oggetti separati da un isolante. L’elettricità statica (come “a riposo”) esiste finché i due gruppi di cariche opposte non riescono a trovare un percorso tra loro per bilanciare il sistema.
Quando le cariche trovano un modo per equalizzare, si verifica una scarica statica.
L’attrazione delle cariche diventa così grande che possono fluire anche attraverso i migliori isolanti (aria, vetro, plastica, gomma, ecc.).
Le scariche statiche possono essere dannose a seconda del mezzo che attraversano le cariche e delle superfici che le cariche stanno trasferendo.
Le cariche che si equalizzano attraverso un traferro possono provocare uno shock visibile quando gli elettroni in movimento si scontrano con gli elettroni nell’aria, che si eccitano e rilasciano energia sotto forma di luce.
Uno degli esempi più drammatici di scarica statica è il fulmine.
Quando un accumulo di nuvole raccoglie abbastanza carica rispetto a un altro gruppo di nuvole o al terreno sottostante, le cariche cercano di pareggiare.
Mentre la nuvola si scarica, enormi quantità di cariche positive (o talvolta negative) attraversano l’aria da terra verso la nuvola causando l’effetto visibile che tutti conosciamo, il fulmine.
L’elettricità statica esiste anche quando ci strofiniamo palloncini sulla testa per farci alzare i capelli.
In ogni caso, l’attrito derivante dallo sfregamento di diversi tipi di materiali trasferisce elettroni.
L’oggetto che perde elettroni si carica positivamente, mentre l’oggetto che guadagna elettroni si carica negativamente.
I due oggetti si attraggono l’uno con l’altro fino a quando non riescono a trovare un modo per pareggiare.
Lavorando con l’elettronica, generalmente non abbiamo a che fare con l’elettricità statica.
Quando lo facciamo, di solito proviamo a proteggere i nostri componenti elettronici sensibili dall’essere soggetti a scariche statiche.
Corrente elettrica
L’elettricità attuale è la forma di elettricità che rende possibile tutto il nostro aggancio elettronico. Questa forma di elettricità esiste quando le cariche sono in grado di fluire costantemente.
A differenza dell’elettricità statica in cui le cariche si accumulano e rimangono a riposo, l’elettricità attuale è dinamica, le cariche sono sempre in movimento.
Circuiti
Per poter fluire, l’elettricità corrente richiede un circuito: un circuito chiuso e infinito di materiale conduttivo.
Un circuito potrebbe essere semplice come un filo conduttivo collegato end-to-end, ma i circuiti utili di solito contengono un mix di fili e altri componenti che controllano il flusso di elettricità.
L’unica regola quando si tratta di creare circuiti è che non possono avere spazi vuoti isolanti.
Se hai un filo pieno di atomi di rame e vuoi indurre un flusso di elettroni attraverso di esso, tutti gli elettroni liberi hanno bisogno di un posto per fluire nella stessa direzione generale.
Il rame è un ottimo conduttore, perfetto per far fluire le cariche.
Se un circuito di filo di rame viene rotto, le cariche non possono fluire nell’aria, impedendo anche che nessuna delle cariche verso il centro vada da nessuna parte.
D’altra parte, se il filo è collegato end-to-end, tutti gli elettroni hanno un atomo vicino e possono fluire tutti nella stessa direzione generale.
Quindi, una volta che gli elettroni fluiscono, come producono l’energia necessaria per illuminare una lampadina?
Per questo, dobbiamo capire i campi elettrici.
Campi elettrici
I campi elettrici (campi elettronici) sono uno strumento importante per comprendere come inizia e continua a scorrere l’elettricità.
I campi elettrici descrivono la forza di trazione o di spinta in uno spazio tra le cariche.
La direzione dei campi elettrici è sempre definita come la direzione in cui una carica di prova positiva si sposterebbe se fosse caduta sul campo.
La carica di prova deve essere infinitamente piccola, per evitare che la carica influenzi il campo.
Possiamo iniziare costruendo campi elettrici per cariche solitarie positive e negative. Se si rilasciasse una carica di prova positiva vicino a una carica negativa, la carica di prova verrebbe attratta verso la carica negativa.
Quindi, per una singola carica negativa, disegniamo le nostre frecce del campo elettrico che puntano verso l’interno in tutte le direzioni.
La stessa carica di prova rilasciata vicino a un’altra carica positiva provocherebbe una repulsione verso l’esterno, il che significa che disegniamo frecce che escono dalla carica positiva.
Gruppi di cariche elettriche possono essere combinati per creare campi elettrici più completi.
Il campo elettronico uniforme sopra punta lontano dalle cariche positive, verso i negativi.
Immagina una minuscola carica di prova positiva caduta nel campo elettronico; dovrebbe seguire la direzione delle frecce.
Come abbiamo visto, l’elettricità di solito comporta il flusso di elettroni – cariche negative – che scorrono contro i campi elettrici.
I campi elettrici ci forniscono la forza di spinta necessaria per indurre il flusso di corrente.
Un campo elettrico in un circuito è come una pompa di elettroni: una grande fonte di cariche negative che possono spingere gli elettroni, che fluiranno attraverso il circuito verso il grumo positivo di cariche.
Potenziale elettrico (energia)
Quando sfruttiamo l’elettricità per alimentare i nostri circuiti, aggeggi e gadget, stiamo davvero trasformando l’energia.
I circuiti elettronici devono essere in grado di immagazzinare energia e trasferirla in altre forme come calore, luce o movimento.
L’energia immagazzinata di un circuito è chiamata energia potenziale elettrica.
In qualsiasi punto di un campo elettrico il potenziale elettrico è la quantità di energia elettrica potenziale divisa per la quantità di carica in quel punto.
Prende la quantità di carica fuori dall’equazione e ci lascia con un’idea di quante potenziali aree specifiche di energia del campo elettrico possono fornire.
Il potenziale elettrico è espresso in volt (V).
In qualsiasi campo elettrico ci sono due punti di potenziale elettrico che ci interessano in modo significativo.
C’è un punto di alto potenziale, dove una carica positiva avrebbe la massima energia potenziale possibile, e c’è un punto di basso potenziale, dove una carica avrebbe la minima energia potenziale possibile.
Uno dei termini più comuni che discutiamo nella valutazione dell’elettricità è la tensione.
Una tensione è la differenza di potenziale tra due punti in un campo elettrico.
La tensione ci dà un’idea di quanta forza di spinta ha un campo elettrico.
Elettricità in azione!
Dopo aver studiato la fisica delle particelle, la teoria dei campi e l’energia potenziale, ora sappiamo abbastanza per far fluire l’elettricità. Facciamo un circuito!
Per prima cosa esamineremo gli ingredienti di cui abbiamo bisogno per produrre elettricità:
- La definizione di elettricità è il flusso di carica. Di solito le nostre cariche saranno trasportate da elettroni a flusso libero.
- Gli elettroni caricati negativamente sono tenuti vagamente agli atomi di materiali conduttivi. Con una piccola spinta possiamo liberare gli elettroni dagli atomi e farli fluire in una direzione generalmente uniforme.
- Un circuito chiuso di materiale conduttivo fornisce un percorso per il flusso continuo degli elettroni.
- Le cariche sono spinte da un campo elettrico. Abbiamo bisogno di una fonte di potenziale elettrico (tensione), che spinge gli elettroni da un punto di energia potenziale bassa a energia potenziale superiore.
Un corto circuito
Le batterie sono fonti di energia comuni che convertono l’energia chimica in energia elettrica.
Hanno due terminali, che si collegano al resto del circuito.
Su un terminale c’è un eccesso di cariche negative, mentre tutte le cariche positive si fondono sull’altra.
Questa è una differenza di potenziale elettrico che aspetta solo di agire!
Se colleghiamo il nostro filo pieno di atomi di rame conduttivi alla batteria, quel campo elettrico influenzerà gli elettroni liberi caricati negativamente negli atomi di rame.
Spinti contemporaneamente dal terminale negativo e tirati dal terminale positivo, gli elettroni nel rame si sposteranno da un atomo all’altro creando il flusso di carica che conosciamo come elettricità.
Dopo un secondo del flusso di corrente, gli elettroni si sono effettivamente spostati molto poco – frazioni di un centimetro.
Tuttavia, l’energia prodotta dal flusso di corrente è enorme, soprattutto perché in questo circuito non c’è nulla che possa rallentare il flusso o consumare energia.
Collegare un conduttore puro direttamente attraverso una fonte di energia è una pessima idea.
L’energia si muove molto rapidamente attraverso il sistema e si trasforma in calore nel filo, che può rapidamente trasformarsi in fuoco incandescente.
Illuminare una lampadina
Generalmente un circuito elettrico trasferisce l’energia elettrica in qualche altra forma: luce, calore, movimento, ecc.
Se colleghiamo una lampadina alla batteria con dei fili tra loro, abbiamo un circuito semplice e funzionale.
Mentre gli elettroni si muovono ad un ritmo di lumache, il campo elettrico influenza quasi istantaneamente l’intero circuito (stiamo parlando di velocità della luce veloce).
Gli elettroni in tutto il circuito, sia con il potenziale più basso, il più alto potenziale o proprio accanto alla lampadina, sono influenzati dal campo elettrico.
Quando l’interruttore si chiude e gli elettroni sono soggetti al campo elettrico, tutti gli elettroni nel circuito iniziano a fluire apparentemente nello stesso momento.
Le cariche più vicine alla lampadina faranno un passo attraverso il circuito e inizieranno a trasformare l’energia da elettrica a luce (o calore).
