Corso di Elettronica per ragazzi – Puntata 1

Con questo articolo inizia il Corso di Elettronica per ragazzi. Il corso è composto da tre parti: Elettrotecnica, Elettronica e il mondo dei Microcontrollori. Nella parte relativa all’Elettrotecnica apprenderai gli argomenti di base fondamentali per affrontare con sicurezza gli argomenti di Elettronica e alla fine del corso sarai in grado anche di progettare circuiti elettronici per applicazioni di varia complessità. In questo primo articolo del corso parleremo dell’elettricità.

Elettrotecnica - L’Elettricità

L'elettricità è in tutte le cose intorno a noi. Accende le lampadine, carica i nostri telefonini e aiuta a tenerci al caldo o a rinfrescarci. L'elettricità è una forma di energia che può dare alle cose la capacità di muoversi e di lavorare per noi. Tutto il mondo è fatto di particelle piccolissime invisibili: protoni, neutroni ed elettroni. Il movimento degli elettroni crea elettricità. Ma come facciamo a muovere gli elettroni? Quando due oggetti vengono strofinati fra loro creano attrito. L'attrito è una forza che nasce dalla resistenza al movimento degli oggetti che vengono strofinati. Se strofini velocemente le tue mani fra di loro, noterai che, a causa dell’attrito, dopo un pò le mani si scalderanno. Bene, questo calore è una forma di energia che fa muovere gli elettroni delle tue mani. Quindi, l'attrito può far muovere gli elettroni all’interno di oggetti, creando elettricità. E’ ciò che succede anche quando strofini le scarpe sul tappeto in una giornata asciutta, e se poi tocchi con la mano la maniglia di metallo di un termosifone, sentirai una piccola scossa che è appunto una scossa elettrica provocata dagli elettroni in movimento che si spostano dalla tua mano verso la maniglia. L'elettricità ha due forme principali: l’elettricità statica, chiamata elettrostatica, ed elettricità in movimento chiamata corrente elettrica. Vediamo che cosa sono queste due forme di elettricità una alla volta. In questo articolo parleremo dell’elettrostatica.

Figura 1: Modello di struttura atomica

L’Elettrostatica

Elettricità statica significa che l’elettricità (gli elettroni) non si sposta da un oggetto all'altro. Rimane nell’oggetto in cui è stata creata. A volte, come abbiamo detto prima, gli elettroni si spostano da un oggetto all'altro e provocano una scintilla. Una scintilla, come avrai visto qualche volta, è un rapido lampo di luce prodotto proprio dall'elettricità. Se strofini le scarpe molto velocemente contro il tappeto si creerà attrito fra il tappeto e il tuo corpo e quindi si genererà elettricità nel tuo corpo. Se poi tocchi con la mano una maniglia di metallo, gli elettroni passeranno attraverso di te e andranno nella maniglia. Ciò causerà una piccola scintilla che ti darà una leggera scossa elettrica. Il fulmine è un fenomeno naturale dello spostamento di elettricità statica nell’atmosfera presente in natura che provoca una enorme “scintilla”, o scarica elettrica, che chiamiamo “lampo”. La scarica elettrica del fulmine viene generata quando un’enorme quantità di elettricità statica negativa, costituita da cariche elettriche negative, presente sulla superficie esterna di una nuvola viene attratta dalle cariche elettriche positive presenti sulla superficie terrestre. Una delle cause di generazione del fulmine è l’attrito che avviene in atmosfera, ovvero quando l'acqua e il ghiaccio si sfregano tra le nuvole, quindi si crea attrito, generando una carica di energia elettrica, ossia l'energia accumulata quando gli elettroni si muovono per lo strofinio fra le due parti. Quando la carica elettrica passa da una nuvola all'altra, o da una nuvola ad un oggetto a terra, avviene un lampo che illumina il cielo per un breve tempo. L'illuminazione provocata dal fulmine è in pratica una scintilla elettrica molto grande. E’ vero che noi non possiamo vedere gli elettroni che si trovano in un oggetto, nemmeno con i più potenti microscopi, ma possiamo osservare gli effetti che provocano queste particelle. Le scintille provocate in natura dai fulmini o le scintille provocate artificialmente strofinando fra loro due oggetti, sono un fenomeno chiamato elettrizzazione per strofinio. Quando strofiniamo un oggetto contro un altro, il movimento degli elettroni, provocato dallo strofinio, crea in ogni oggetto una carica elettrica. Ora vediamo di comprendere meglio ciò che avviene in pratica con qualche esperimento.

ESPERIMENTO 1

Per scoprire la presenza di elettroni in un oggetto, fai questo esperimento. Disponi su un tavolo dei piccoli pezzi di carta. Prendi una penna e strofina velocemente il corpo della penna sulla manica di un abito di lana. Ora avvicina la penna ai pezzetti di carta fino a toccarli. Vedrai che i pezzi di carta saranno attratti dalla penna. In pratica, con lo strofinio la penna si è caricata di elettricità in grado di attrarre oggetti leggeri. Questi oggetti leggeri, nel nostro esperimento i pezzetti di carta, si sono elettrizzati prendendo l’elettricità dalla penna, semplicemente avvicinandola e toccandola. Questo esperimento dimostra che l’elettricità può passare da un oggetto ad un altro tramite un contatto elettrico tra i due oggetti. Questo fenomeno si chiama elettrizzazione da contatto.

Tutti gli oggetti si possono elettrizzare, ma non tutti allo stesso modo. Che vuol dire? Alcuni oggetti fatti di un certo materiale (ad esempio il vetro) si elettrizzano solo superficialmente, cioè si elettrizza solo la parte strofinata, ad esempio sulla lana, e quindi solo quella parte dell’oggetto di vetro è in grado di attrarre cose leggere come i pezzetti di carta. Altri oggetti di diverso materiale (ad esempio gli oggetti di metallo) si comportano diversamente dopo lo strofinio, ossia anche strofinando una parte di un oggetto metallico, tutte le parti del metallo sono in grado di attrarre i nostri pezzetti di carta. Se vuoi, puoi accertarti di ciò ripetendo l’esperimento che hai fatto prima con la penna utilizzando al suo posto prima una barretta di vetro, poi ripetilo con una barretta di ferro. Vedrai i due diversi comportamenti di elettrizzazione dei due oggetti fatti di materiale diverso, ovvero la barretta di vetro attrarrà la carta solo dalla parte strofinata, mentre la barretta di ferro attrarrà la carta da ogni sua parte.

Conduttori e Isolatori

L’esperimento con i due diversi materiali dimostra che rispetto al vetro, nel ferro l’elettricità viene condotta dalla superficie elettrizzata per strofinio fino ad ogni altra parte dell’oggetto di metallo, pertanto possiamo dire che i metalli sono buoni conduttori di elettricità. Un conduttore ha quindi la proprietà (la capacità) di trasferire l’elettricità ad un altro corpo, ciò significa che gli elettroni presenti nel conduttore si muovono spostandosi verso un altro oggetto in grado di accoglierli. In questo caso, si dice che l’oggetto conduttore si è scaricato verso l’altro oggetto, ossia ha perso una certa quantità di elettricità (o di elettroni) che dipende dalla carica di elettricità presente nell’altro oggetto. Dall’esperimento del vetro e del ferro si capisce quindi che esistono materiali buoni conduttori (come il ferro) e materiali cattivi conduttori (come il vetro). Riprendendo l’esperimento con la barretta di ferro, ti sarai accorto che tenendo la barretta di ferro con la mano, anche strofinando molto velocemente e a lungo la barretta, l’effetto di attrazione della barretta sui pezzetti di carta dura poco. Ciò è dovuto proprio al fatto che il ferro, essendo un buon conduttore, trasferisce la sua carica elettrica al tuo corpo per elettrizzazione da contatto. Il tuo corpo è il conduttore che trasferisce l’elettricità alla Terra. Alla Terra???

Eh sì, considera che la Terra è un enorme conduttore, quindi, quando tieni la barretta di ferro con la mano dopo averla strofinata, dopo un pò trasferirà (scaricherà) la sua elettricità al terreno sotto i tuoi piedi, appunto alla Terra, attraversando il tuo corpo. Per mantenere elettrizzata la barretta di ferro nel tempo, occorrerà interporre fra la tua mano e la barretta, oppure tra il tuo corpo e la Terra, un oggetto che non consente il passaggio di elettricità, ovvero un oggetto cattivo conduttore, ossia un oggetto costituito da materiale isolante dell’elettricità. Gli oggetti costituiti da materiale isolante sono quindi detti isolatori. Abbiamo capito che un oggetto isolatore non è in grado di condurre elettricità in ogni sua parte, ma sappiamo che può essere elettrizzato. Se avviciniamo un oggetto elettrizzato ad un oggetto isolatore senza toccarlo, la superficie dell’oggetto isolatore vicina all’oggetto elettrizzato si elettrizza. Lo stesso fenomeno accade a maggior ragione avvicinando un oggetto conduttore all’oggetto elettrizzato: l’oggetto conduttore si elettrizzerà in ogni sua parte. Questo fenomeno si chiama elettrizzazione per induzione, ovvero il corpo elettrizzato influisce su un oggetto elettrizzandolo a causa della vicinanza dei due oggetti, senza che avvenga alcun contatto.

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