Corso di Elettronica per ragazzi – Puntata 2

Nel precedente articolo “Corso di Elettronica per ragazzi - Puntata 1” abbiamo parlato dell’elettricità statica, l’elettricità “ferma” all’interno dei corpi. Abbiamo sperimentato che un oggetto può essere elettrizzato in vari modi: per strofinio, per induzione e per contatto. Abbiamo anche sperimentato che l’elettricità presente in un corpo può essere positiva o negativa e che le cariche elettriche dello stesso segno si respingono mentre si attraggono se sono di segno opposto. In questo articolo parleremo dell’elettricità di movimento: la corrente elettrica.

Introduzione

Prima di addentrarci nella comprensione del significato di corrente elettrica, è necessario capire come è fatta la materia, cioè le cose, gli esseri umani e tutto ciò che fa parte della natura. La materia solida, liquida e gassosa è costituita dalla combinazione chimica di elementi semplici. Come illustrato nella tavola riportata in Figura 1, definita “Tavola periodica degli elementi”, gli elementi semplici (o elementi chimici elementari) scoperti fino ad oggi sono 118.

Figura 1: Tavola periodica degli elementi

Un elemento chimico è un atomo, una particella piccolissima e invisibile. Ogni elemento è un atomo che ha una struttura formata da un numero preciso di altre particelle ancora più piccole. Un particolare corpo è quindi composto da una particolare combinazione di alcuni di questi elementi raggruppati in molecole che sono appunto strutture costituite da atomi legati fra di loro. Un insieme di molecole costituisce una sostanza chimica. In Figura 2 è riportato un esempio di un modello di una molecola.

Figura 2: Modello strutturale di una molecola

La molecola di un Elemento è formata da atomi uguali, mentre la molecola di un Composto è costituita da atomi diversi. Ad esempio, la molecola dell’acqua (H2O) è costituita da due atomi di idrogeno e un atomo di ossigeno. Ma vediamo come si distingue un elemento semplice della tavola periodica (un atomo) da un altro elemento semplice.

L’Atomo

L’atomo ha una struttura formata da tre componenti, tre particelle subatomiche più piccole dell’atomo stesso: Protoni, Neutroni ed Elettroni. I protoni hanno carica elettrica positiva, i neutroni non hanno carica elettrica, gli elettroni hanno carica elettrica negativa. Al centro dell’atomo c’è il Nucleo contenente i protoni e i neutroni, quindi il nucleo ha una carica complessiva positiva. In genere, i neutroni sono di pari numero dei protoni, ma potrebbero essere di meno o assenti nel nucleo. Attorno al nucleo, ad enorme distanza da esso, ruotano gli elettroni su orbite diverse che, quando gli elettroni sono numerosi, si raggruppano in anelli indicati per convenzione con lettere dell’alfabeto. Il primo anello indicato con la lettera K (quello vicino al nucleo) è formato da una sola orbita sulla quale possono esserci al massimo 2 elettroni; il secondo anello (L) è costituito da due orbite di cui la prima interna può contenere fino a 2 elettroni e la seconda orbita fino a 6; il terzo anello (M) può contenere al massimo 3 orbite di cui quella interna può contenere fino a 2 elettroni, quella intermedia fino a 6 e la terza orbita fino a 10 elettroni; il quarto anello (N) è formato da un massimo di 4 orbite di cui, partendo dalla più interna fino alla quarta orbita, gli elettroni contenuti in ognuna possono essere al massimo rispettivamente 2, 6, 10, 14, e così via per altri anelli e orbite. Prendiamo ad esempio l’atomo dell’Uranio, elemento 92 della Tavola periodica degli elementi, raffigurato in Figura 3.

Figura 3: Atomo dell’Uranio

Come puoi constatare contando ad esempio gli elettroni nel quarto anello (come abbiamo detto prima, quello contenente 4 orbite) dell’atomo dell’Uranio riportato nella Figura 3, sono 32 gli elettroni orbitanti nelle 4 orbite dell’anello. Considera che l’immagine dell’atomo dell’Uranio di Figura 3 non è tridimensionale, ma, se immaginassi questo quarto anello nello spazio, lo vedresti composto da 4 orbite distinte su diversi piani, come ad esempio le orbite nello spazio mostrate nel modello dell’atomo di Figura 4.

Figura 4: Modello dell’atomo

Quando il numero di elettroni presenti nell’atomo è lo stesso dei protoni del nucleo si determina la proprietà di neutralità elettrica dell’atomo.

Se un atomo perde uno o più elettroni, l’atomo non ha più la sua neutralità elettrica e l’atomo assume il nome di ione positivo. L’atomo assumerà una prevalenza di carica elettrica positiva in quanto i protoni nel nucleo saranno in numero maggiore rispetto agli elettroni. La quantità di carica elettrica positiva dipenderà dal numero di elettroni persi dall’atomo. L’atomo perde la sua neutralità elettrica anche quando acquisisce uno o più elettroni. In questo caso l’atomo diverrà uno ione negativo. L’atomo assumerà una prevalenza di carica elettrica negativa in quanto gli elettroni saranno in numero maggiore rispetto ai protoni nel nucleo. La carica elettrica negativa dell’atomo sarà di quantità proporzionale al numero di elettroni ricevuti dall’atomo. Ora, in merito alla composizione del nucleo, potresti sollevare un dubbio: ricordandoti gli esperimenti sull’elettricità che abbiamo descritto nel precedente articolo, diresti che nel nucleo avviene un fenomeno che contraddice il fenomeno di attrazione delle cariche elettriche di carica opposta e anche il fenomeno di repulsione delle cariche elettriche dello stesso segno, ossia i protoni di carica elettrica positiva presenti nel nucleo, essendo dello stesso segno, dovrebbero respingersi e allontanarsi ognuno dall’altro. In realtà, ciò non avviene per effetto della cosiddetta ”Forza nucleare forte” che qui non ci interessa approfondire, considerala una delle leggi della fisica.

In Figura 5 viene mostrato come esempio il modello dell’atomo di Elio (He), elemento 2 della Tavola periodica degli elementi.

Figura 5: Modello dell’atomo di Elio

Puoi notare che l’elemento semplice Elio è un atomo con il nucleo costituito da due protoni e due neutroni attorno al quale ruotano due elettroni sulla stessa orbita. Insomma, gli elementi semplici si distinguono in base al numero di protoni o di elettroni presenti nell’atomo.

Produzione dell’Elettricità

In merito all’elettricità statica, nel precedente articolo abbiamo visto che in un corpo non elettrizzato sono presenti in uguale numero cariche negative costituite dagli elettroni e cariche positive costituite dai protoni, quindi in questo corpo non prevale carica elettrica positiva o negativa, ovvero non vi è elettricità. Per la produzione di elettricità deve dunque prevalere una carica elettrica positiva o negativa rispetto all’altra. Poco prima, avrai compreso come è fatta la struttura di un atomo e che è nello stato neutro, ossia privo di carica elettrica, quando il numero di elettroni orbitanti intorno al nucleo è uguale al numero dei protoni costituenti il nucleo. Ciò significa che per produrre elettricità, l’atomo deve perdere il suo stato di neutralità. Questo può avvenire solo mediante la perdita o l’acquisizione di elettroni da parte dell’atomo. Infatti, nel caso di perdita di elettroni, i protoni saranno in numero maggiore rispetto agli elettroni e l’atomo possiederà una carica elettrica positiva; nell’altro caso, se l’atomo prende elettroni, il numero di elettroni sarà maggiore del numero dei protoni e l’atomo assumerà una carica elettrica negativa.

Gli atomi di un corpo elettrizzato che perdono gli elettroni, per esempio per strofinio, fanno assumere al corpo una prevalenza di protoni e quindi rendono il corpo carico positivamente poiché gli elettroni si sono trasferiti sull’oggetto (prima elettricamente neutro) utilizzato per strofinare il corpo. D’altra parte, l’oggetto dello strofinio, acquisendo gli elettroni persi dal corpo, assume a sua volta una carica elettrica negativa grazie alla prevalenza di elettroni rispetto al suo precedente stato di neutralità elettrica. Viceversa, lo stesso fenomeno di trasferimento di elettroni può avvenire dall’oggetto al corpo strofinato. In questo caso, l’oggetto avrebbe una prevalenza di protoni e sarebbe carico positivamente, mentre il corpo si caricherebbe negativamente. In conclusione, l’elettricità viene prodotta dallo squilibrio di cariche elettriche presenti negli atomi costituenti la materia.

La corrente elettrica

Nel precedente articolo “Corso di Elettronica per ragazzi - Puntata 1” abbiamo parlato dell’Elettrostatica, ossia dell’elettricità statica in cui le cariche elettriche sono ferme in un corpo. Ora parleremo dell’elettricità in movimento, ossia della corrente elettrica. Se un corpo conduttore viene strofinato con un oggetto in grado di cedere elettroni, questi elettroni si diffonderanno liberi in tutto il conduttore che assumerà così una prevalente carica elettrica negativa. Lo stesso fenomeno non può avvenire in un corpo isolante. Infatti, ad esempio, strofinando l’isolante con un oggetto in grado di attrarre elettroni, solo gli elettroni presenti nella zona strofinata del corpo isolante si sposteranno verso l’oggetto poiché gli atomi distanti da tale zona tratterranno i loro elettroni. Per quanto detto, si deduce che l’elettricità (gli elettroni) può muoversi solo attraverso i conduttori. Quando una certa quantità di elettroni si sposta “scorrendo” nella stessa direzione, possiamo dire che si tratta della formazione di una corrente elettrica. Ma, ti chiederai “come si fa a far muovere in una certa direzione gli elettroni liberi presenti in un conduttore dato che, appunto essendo liberi, si muovono disordinatamente in qualsiasi direzione?”

Occorre quindi una Forza di repulsione esterna al conduttore che spinga (respinga) gli elettroni verso una direzione, e un’altra Forza di attrazione che attragga gli stessi elettroni nello stesso verso indotto dalla forza di repulsione.
Queste forze possono essere ottenute collegando, ad esempio, una sfera metallica con carica elettrica negativa (-) con un filo di rame ad un estremo del conduttore e un'altra sfera metallica con carica elettrica positiva (+) collegata all’altro estremo del conduttore con un altro filo di rame, come mostrato in Figura 6. Le sfere metalliche hanno la stessa quantità di carica elettrica, ossia la sfera negativa ha un numero di elettroni in eccesso pari al numero di elettroni mancanti nella sfera positiva. Questo concetto lo approfondiremo in un altro articolo quando parleremo dei generatori elettrici.

Figura 6: Corrente elettrica in un conduttore

Come ricorderai dal precedente articolo “Corso di Elettronica per ragazzi - Puntata 1”, per effetto del fenomeno per cui cariche elettriche dello stesso segno si respingono (- dal - e + dal +), e per effetto del fenomeno per cui cariche elettriche di segno opposto si attraggono (il - con il +), dall’istante in cui vengono collegate le sfere al conduttore, gli elettroni liberi nel conduttore saranno sottoposti all’azione di una forza di repulsione che li respinge (la sfera negativa) e ad una forza di attrazione che li attrae (la sfera positiva).

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