Elettroni, Elettricità ed Energia Elettrica PDF

Elettroni, elettricità ed energia elettrica L’atomo ► L’atomo (dal greco ἄτομος - àtomos , indivisibile) è la più piccola porzione di un elemento chimico che conservi le proprietà dell’elemento stesso. Per la nostra trattazione è sufficiente sch...

Elettroni, elettricità ed energia elettrica L’atomo ► L’atomo (dal greco ἄτομος - àtomos , indivisibile) è la più piccola porzione di un elemento chimico che conservi le proprietà dell’elemento stesso. Per la nostra trattazione è sufficiente schematizzarlo con un nucleo centrale formato da protoni, particelle a carica positiva, e neutroni, particelle a carica neutra, attorno al quale ruotano come satelliti gli elettroni, che hanno carica negativa. Ogni atomo è elettricamente neutro, nel senso che il numero di elettroni che ruotano attorno al nucleo è uguale al numero di protoni in esso presente, quindi il numero di cariche positive è uguale al numero di cariche negative ► I protoni e i neutroni sono circa 2000 volte più pesanti degli elettroni che, in realtà, non percorrono vere e proprie orbite attorno al nucleo ma concettualmente le si può considerare tali. Ma possiamo considerare accettabile il modello dell’atomo dove gli elettroni ruotano su un’orbita circolare generata dall'equilibrio tra la forza di attrazione che il nucleo esercita sull’elettrone e la forza centrifuga che spinge l’elettrone verso l’esterno (legata alla sua velocità) La forza di attrazione è chiamata forza di attrazione elettrostatica ed è dovuta al fatto che tra cariche negative e cariche positive si genera un’attrazione mentre tra cariche dello stesso segno la forza è repulsiva Alla carica positiva viene associato il simbolo + mentre alla carica negativa il simbolo –  Il Sistema internazionale di unità di misura, abbreviato in SI (Système International d’Unités), è il più diffuso sistema di unità di dove l’unità di misura della carica elettrica nel Sistema Internazionale è misura: è basato su il coulomb (simbolo C), dal nome dello scienziato francese Charles sette unità fondamentali, Augustin de Coulomb. con le quali vengono definite le unità derivate. Il SI, inoltre, definisce una sequenza di prefissi da premettere alle unità di misura per identificare i loro multipli e sottomultipli La legge di Coulomb Campo elettrico Una carica elettrica posta in una regione di spazio ne altera il suo stato: la regione che “ne sente gli effetti” viene chiamata campo elettrico. Se la carica che crea il campo è positiva, i vettori campo elettrico sono diretti verso l’esterno mentre se la carica che crea il campo è negativa, i vettori campo elettrico sono diretti verso l’interno. ► Se poniamo due cariche vicine si generano campi diversi a seconda che le cariche siano di segno opposto oppure dello stesso segno Nella zona centrale i campi si rafforzano, perché se introduciamo una carica di prova positiva questa è respinta verso destra dalla carica positiva e attratta verso destra da quella negativa Nelle zone esterne il campo assomiglia a quello della carica puntiforme più vicina In questa zona il campo è simile a quello di una sola carica positiva, perché l’altra carica, che è lontana, fa sentire poco la sua influenza ► Se poniamo due cariche vicine si generano campi diversi a seconda che le cariche siano di segno opposto oppure dello stesso segno Nella zona centrale i campi tendono ad annullarsi, perché in questo caso se introduciamo una carica di prova positiva questa è respinta verso destra dalla prima carica e respinta verso sinistra dalla seconda A seconda della posizione, gli effetti del campo elettrico sono diversi: a ogni punto del campo viene associato un valore, indicato come energia potenziale elettrica (E), che è un parametro dipendente dalla forza che agisce in quel punto. Differenza di potenziale Dato che alla terra viene attribuito il potenziale zero, il valore del potenziale di un dato punto potrà essere inteso come la d.d.p. fra questo punto e la terra: questo potenziale sarà positivo o negativo a seconda che esso sia maggiore o minore di quello della terra Messa a terra ► Mettere a terra un punto significa collegarlo al suolo mediante un altro conduttore che consente il passaggio delle cariche (generalmente viene utilizzato un cavo elettrico di colore giallo e verde). Negli impianti elettrici delle abitazioni, per la legge sulla sicurezza degli impianti, deve essere disponibile una connessione a terra alla quale connettere ogni dispositivo: fisicamente la messa a terra può essere realizzata mediante un dispersore di terra che altro non è se non un’asta di acciaio zincato o ramato della lunghezza di 1 m o 1,5 m (chiamato anche puntazza o punto disperdente) che viene parzialmente inserito nel terreno. https://www.bricoportale.it/ristrutturare-casa/lavori-in- casa/elettricita-ristrutturare-casa/impianto-di-messa-a- terra-fai-da-te/ Corrente elettrica ► Nella materia gli elettroni si dispongono attorno all’atomo su sette orbite ellittiche diverse (livelli energetici), ciascuna caratterizzata da un preciso numero massimo di elettroni: se sono presenti tutti gli elettroni in un’orbita questa si dice completa ► Gli elettroni tendono a occupare sempre il livello energetico libero più basso (più vicino al nucleo) fino a saturarlo e solo allora si dispongono in livelli energetici più esterni. Quando un atomo assorbe energia, un elettrone passa da un livello più interno a uno più esterno, compiendo il cosiddetto salto quantico (o transizione elettronica) e l’atomo si viene a trovare in una situazione di instabilità (stato eccitato): quando l’elettrone ritorna al livello energetico di partenza, viene restituita esattamente la medesima quantità di energia assorbita e l’atomo riacquista il suo stato originario ► Se un atomo ha l’ultima orbita non completa tenderà: – a perdere gli elettroni dell’ultima orbita non completa se essi sono pochi; – a completare l’orbita catturando elettroni di altri atomi, ma se questi elettroni continuano a mantenere il legame con il loro nucleo originario si forma una molecola, cioè un insieme di atomi legati tra di loro dagli elettroni messi in comune. I materiali che hanno pochi elettroni in un’orbita che dovrebbe essere “affollata” hanno la tendenza a perdere questi elettroni (che sono detti elettroni di conduzione): in questi casi gli elettroni “liberi” gireranno disordinatamente tra gli atomi passando da atomo ad atomo sulle rispettive orbite esterne. A seconda della caratteristica dei materiali di permettere o meno il movimento di cariche elettriche possiamo distinguerli in prima approssimazione in due categorie: ► conduttori; ► isolanti Conduttori ► I conduttori sono sostanze che consentono alle cariche elettriche di spostarsi agevolmente al loro interno ► Gli elettroni periferici che si muovono rapidamente nel reticolo cristallino prendono il nome di elettroni di conduzione. ► I conduttori metallici sono costituiti da atomi che hanno nelle orbite esterne sempre meno di 4 elettroni, che si sottraggono facilmente al legame con il singolo atomo e si spostano con grande libertà nell’interno del metallo. ► I metalli sono buoni conduttori di elettricità. ► Non tutti i conduttori trasportano l’elettricità altrettanto bene: il ferro conduce sei volte di meno dell’argento (che è il miglior conduttore che vi sia, ma è troppo costoso). ► Certe sostanze, fra le quali alcuni metalli, quando sono portate a temperature molto basse diventano superconduttori, cioè conduttori perfetti. Isolanti ► Gli isolanti sono sostanze all’interno delle quali le cariche elettriche non si possono spostare e rimangono fisse. ► Gli atomi degli isolanti hanno più di 4 elettroni, fortemente impegnati nei legami e non disponibili per la conduzione. ► La carta, il legno, il vetro, la gomma, la ceramica, le fibre tessili e le materie plastiche sono cattivi conduttori di elettricità.… e i liquidi ?Molti di essi, come l’olio e la benzina, sono ottimi isolanti. ► L’acqua pura è un isolante, ma se contiene disciolti sali o acidi diventa conduttore, tanto migliore quanto maggiore è la quantità di queste sostanze. Una differenza importante fra i metalli e le soluzioni acquose conduttrici è che in queste ultime alcuni atomi non sono più neutri, ma hanno acquistato carica elettrica positiva o negativa (sono diventati ioni). In questo caso il passaggio di corrente non significa soltanto trasporto di cariche elettriche, ma anche spostamento di materia (elettrolisi).… e i gas ?In condizioni normali sono ottimi isolanti, ma a volte presentano una certa conducibilità, come dimostrano i fulmini (scariche elettriche che attraversano l’aria) Intensità corrente L’intensità della corrente elettrica può cambiare istante per istante oppure rimanere costante nel tempo: ► quando è unidirezionale e la sua intensità rimane costante nel tempo si dice che la corrente è continua; ► se l’intensità e il verso variano periodicamente nel tempo, la corrente si dice alternata: un suo parametro tipico è la frequenza, misurata in Hertz, che indica il numero di cicli completi che effettua in un secondo  Convenzione sul moto della corrente ► La corrente elettrica è fisicamente un flusso ordinato di elettroni che attraversano un filo metallico (o un altro materiale conduttore) per un tempo prolungato: in pratica consiste in un moto di cariche negative che si muovono dal punto di potenziale più basso (indicato con –) al punto di potenziale più alto (indicato con +) per cercare di equilibrare i due potenziali portandoli allo stesso valore, cioè in equilibrio. Nei circuiti elettrici il movimento della corrente viene indicato con una freccia e convenzionalmente si indica con il segno positivo la corrente che si “muove dal morsetto + al morsetto –”, intendendo con questa notazione la corrente come un flusso di cariche positive che passano dal potenziale più alto al potenziale più basso, come si può vedere nelle figure seguenti. ► In un circuito elettrico si dirà quindi convenzionalmente: ► che la corrente esce dal polo positivo del generatore e rientra dal polo negativo; ► che la d.d.p. che esiste tra i poli di un generatore agisce dal polo positivo al polo negativo, ovvero il polo positivo è a potenziale maggiore rispetto a quello negativo.