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Elettricità: cos’è, come funziona, come si produce, dove si trova, origini, significato, vantaggi e svantaggi

Cos’è l’elettricità. L’elettricità è dappertutto (PC, tablet, smartphone, la lampada che illumina la stanza), ma si trova prima di tutto in natura: ad esempio, i fulmini sono generati dal passaggio di cariche elettriche tra la terra e il cielo (tra 2 nubi o all’interno della stessa nuvola). Un evento che da sempre fa paura all’uomo perché queste scariche possono mandare a fuoco un albero o uccidere qualcuno.

Col tempo, però, abbiamo imparato a sfruttare l’elettricità a nostro vantaggio, controllandola e mandandola dove occorre attraverso i cavi (per scaldarci, illuminare le stanze e far funzionare tutto il mondo moderno). Esistono, infatti, le centrali elettriche che trasformano l’energia prodotta da varie fonti in elettricità. Alcune centrali lo fanno utilizzando fonti rinnovabili non dannose per l’ambiente (come l’energia del Sole raccolta attraverso i pannelli fotovoltaici, l’energia del vento raccolta dalle pale eoliche o l’energia dell’acqua). Altre, invece, utilizzano combustibili fossili (come il carbone) che, però, generano emissioni inquinanti. Dalle centrali, l’elettricità arriva fino alle nostre case viaggiando su linee aeree (sostenute dai tralicci), sottoterra o sotto i mari.

Cos’è l’elettricità

Con il termine “elettricità” si intendono tutti quei fenomeni fisici nei quali intervengono “cariche elettriche“.

Per descrivere il “movimento delle cariche elettriche” bisogna partire dalla struttura della “materia“. La “materia” è formata da particelle piccolissime chiamate “molecole“. Le “molecole“, a loro volta, sono formate da particelle ancora più piccole chiamate “atomi“. Tutti gli elementi esistenti in natura sono dotati di un proprio “atomo“, e tutti gli “atomi” hanno una struttura molto simile (al centro dell’atomo vi è un nucleo, formato da 2 particelle, chiamate “protoni” e “neutroni” strettamente legati tra loro e intorno al quale ruotano gli “elettroni”). L’atomo si definisce “elettricamente neutro” quando il numero dei “protoni” in esso contenuti è identico a quello degli “elettroni“.

I “neutroni” non possiedono alcuna carica elettrica, I “protoni“, invece, possiedono una carica elettrica positiva. Infine, gli “elettroni” possiedono una carica elettrica negativa. In un “atomo“, il numero dei “protoni” (carica positiva) è uguale a quello degli “elettroni” (carica negativa), quindi la carica totale dell’atomo è nulla. Gli “elettroni” ruotando intorno al nucleo vengono attratti dai “protoni“.

La “corrente elettrica” si presenta come un flusso ordinato di “elettroni” (in quanto viene generata dallo spostamento di queste particelle da un atomo all’altro tramite un materiale conduttore). Le “cariche elettriche“, a loro volta, possono essere ferme e pertanto generare fenomeni elettrici oppure in movimento (in questo caso si parla di fenomeni elettromagnetici).

Il principio fondamentale dell’elettricità afferma che: 2 corpi che possiedano cariche elettriche di tipo opposto (una positiva e l’altra negativa) si attraggono. Invece, 2 corpi che possiedano 2 cariche di egual tipo (tutte e 2 positive o negative) si respingono. Queste azioni di attrazione e repulsione sono una delle manifestazioni della forza elettromagnetica.

Come funziona l’elettricità

Tutto nasce da una delle componenti degli “atomi“: gli “elettroni“. Queste particelle hanno diversi compiti: alcuni hanno il compito di tenere uniti gli “atoni“, mentre altri di scorrere attorno agli “atomi“. Tanti “elettroni” in movimento tra un “atomo” e l’altro formano una “corrente elettrica“.

Alcuni materiali (come i metalli) hanno più “elettroni” liberi di muoversi: sono definiti “buoni conduttori elettrici“, perché sanno far scorrere la corrente al loro interno. Ad esempio, i cavi elettrici nelle nostre case sono fatti da fili metallici (di rame e alluminio) intrecciati tra loro e rivestiti da una guaina di protezione (in questi fili sono presenti elettroni liberi in quantità elevate). Quando inseriamo la spina nella presa di corrente si genera una “tensione elettrica” (o voltaggio), una specie di forza invisibile che spinge tutti gli “elettroni” liberi lungo il cavo, nella stessa direzione.

La scena che dobbiamo immaginare è quella degli “elettroni” che scorrono liberi nel cavo (come auto lanciata in corsa su un circuito), che si tamponano a vicenda (come sugli autoscontri). In questo cavo sta scorrendo “corrente elettrica“.

Possiamo toccare il cavo grazie al rivestimento di plastica esterna, un materiale isolante che a differenza dei metalli è incapace di condurre elettricità.

In sostanze come le soluzioni di sali in acqua, le “molecole” possono spezzarsi in 2 frammenti, uno dei quali presenta un “atomo” in eccesso, mentre l’altro ne presenta uno in meno. Questi 2 frammenti sono detti “ioni” e possono muoversi liberamente nella soluzione. Se attraverso la sostanza si applica une “tensione elettrica” si può avere un movimento di “cariche elettriche” all’interno di essa.

I materiali in cui questo movimento di cariche può avvenire si dicono “conduttori“, mentre quelli in cui gli elettroni sono ancora più ancorati agli atomi sono detti “isolanti“.

• I migliori conduttori sono i metalli (specialmente argento, rame e alluminio);
• I migliori isolanti sono il vetro, la porcellana, le materie plastiche e la gomma.

Carica elettrica

La “carica elettrica” è una proprietà delle particelle che costituiscono l’”atomo“. L'”atomo” contiene un numero uguale di “protoni” ed “elettroni“, e al venir meno di questo equilibrio si generano i “fenomeni elettrici“. Il sistema costituito dai 2 corpi potenzialmente neutro può acquistare “carica elettrica” se 1 dei 2 cede “elettroni” all’altro (così da caricarlo positivamente ed assumere esso stesso una carica negativa). Quindi, i “fenomeni elettrici” si originano quando l’equilibrio esistente tra cariche positive cariche negative viene meno.

Cosa sono i volt (V)

Siccome 2 “cariche elettriche” eguali si respingono, mentre 2 cariche elettriche opposte si attraggono, per far spostare gli “elettroni” dal secondo al primo oggetto bisognerebbe vincere una forza contraria. Quindi, si dice che tra i 2 “oggetti” esiste una “differenza di potenziale elettrico” (detta “tensione elettrica”). La “tensione elettrica” è più alta quanto maggiori sono le cariche accumulate sui 2 oggetti. Questa differenza si misura in volt (V).

Cosa sono gli ampere (A)

Se colleghiamo i 2 “oggetti” con un filo metallico, gli “elettroni” inizieranno a spostarsi dal primo al secondo oggetto. Sotto l’azione di una “tensione elettrica” si stabilisce nel filo una “corrente elettrica” che si misura in ampere (A).

Se non si hanno altri colleganti tra i 2 “oggetti”, il flusso di corrente si interrompe. Continua a fluire, invece, se si collega anche un generatore elettrico (un dispositivo capace di mantenere costante la tensione elettrica tra i 2 oggetti).

Legge di Ohm

L’”intensità di corrente” (I) che passa attraverso il filo conduttore e la “tensione elettrica” (V) tra le 2 estremità del filo, sono proporzionali tra loro. Il fattore di proporzionalità indica la “resistenza elettrica” (R) che il filo oppone al passaggio della corrente.

La formula: (V) volt = (I) amper x (R) Ohm.

Resistenza elettrica

Il termine “resistenza” viene usato per definire il diametro del filo conduttore, sistemato in un apparecchio elettrico (come per esempio i forni).

La “resistenza elettrica” di un filo conduttore si misura in “Ohm” e dipende dalla struttura del materiale e dal diametro del filo (un filo conduttore con un diametro piccolo oppone una maggiore resistenza al passaggio della corrente, rispetto ad un filo di diametro maggiore).

Differenza tra elettricità statica e elettricità corrente

La “corrente elettrica” non è l’unica forma dell’elettricità, perché può esistere anche a riposo. In questo caso è definita “statica“. L’”elettricità statica” esiste in presenza di cariche opposte su oggetti separati da materiale isolante, che non trovano il modo di equilibrare l’intero sistema. Quando le cariche scorrono continuamente invece di riunirsi e stare a riposo, si parla di “elettricità corrente“.

Etimologia e origini storiche dell’elettricità

Il fenomeno elettrico è conosciuto dagli esseri umani fin dai tempi dell’Antica Grecia, ma è soltanto da 3 secoli che viene analizzato dal punto di vista scientifico.

Il termine “elettricità” fu introdotto per la prima volta nel 1600 da William Gilbert (uno scienziato inglese che lo fece derivare dalla parola greca “èlektron” che indica “l’ambra”). Il termine “elettricità” viene utilizzato per indicare la “corrente elettrica” e i “fenomeni di natura elettrica“. Invece, nel linguaggio scientifico il termine viene impiegato in riferimento ad una “determinata quantità di carica elettrica” (in quiete o in movimento).

La prima macchina in grado di produrre cariche elettriche risale al 1672, quando il fisico tedesco Otto von Guericke descrisse una sfera di zolfo che ruotava per mezzo di una manovella, elettrizzandosi al contatto con una mano.

L’esistenza di una “carica elettrica” di 2 tipi diversi (negativa e positiva) fu, poi, introdotta dallo scienziato francese Charles-François de Cisternay du Fay.

Al 1745, invece, risale il primo condensatore (la bottiglia di Leida): era un recipiente di vetro ricoperto internamente ed esternamente da 2 foglie di carta stagnola. Sulla base di questa invenzione (e attraverso l’esperimento dell’aquilone Benjamin Franklin, 2 anni dopo) l’olandese Pieter van Musschenbroek, ipotizzò che la natura della “carica elettrica” presente all’interno della “bottiglia di Leida” è la stessa dell’”elettricità atmosferica” che genera fenomeni elettrici quali “tuoni” e “fulmini“.

Benjamin Franklin elaborò la prima teoria scientifica dell’elettricità (detta teoria dei “fluidi elettrici”): l’elettricità è un fluido invisibile presente in tutta la materia che viene trasmesso da un corpo all’altro. Alcuni sostenevano l’esistenza di 2 tipi differenti di elettricità, “vetrosa” e “resinosa“, ma Franklin affermava, invece, l’esistenza di un solo tipo di elettricità, intesa come fluido capace di caricare positivamente i corpi quando li percorre e negativamente nel momento in cui se ne allontana. La teoria dei “fluidi elettrici” fu abbandonata nel 1897 con la scoperta dell’”elettrone“.

Nel 1799 il fisico italiano Alessandro Volta, con l’invenzione della pila elettrica, apportò un cambiamento significativo agli studi sull’elettricità, ponendo le basi per importanti scoperte (tra cui quelle sull’elettromagnetismo). Volta segnò una svolta per la scienza permettendo di studiare il fenomeno della “corrente elettrica“.

Luigi Galvani studiò le applicazioni della corrente elettrica tramite la contrazione dei muscoli delle zampe di una rana. Poi, Faraday, nel 1831, dimostrò come il flusso di corrente da una bobina può essere trasferito ad un’altra collocata in prossimità di essa.

Nel 1819 si iniziò ad ipotizzare la correlazione tra “fenomeni elettrici” e “fenomeni magnetici“. Ipotesi che trovò conferma qualche anno dopo nell’esperimento della bussola: questa, posta vicino ad un filo conduttore di elettricità, permise di dimostrare come le correnti generavano campi magnetici.

Le moderne conoscenze nel campo dell’elettricità risalgono al 1900, quando il fisico statunitense Millikan misurò la più piccola quantità di carica: l’”elettrone“. Fu, però, soprattutto grazie a Edison e a Testa che si arrivò all’uso dell’elettricità come sorgente di energia (grazie all’invenzione di dispositivi elettronici microscopici).

Vantaggi e svantaggi dell’elettricità

L’energia elettricità che utilizziamo è ottenuta dalla trasformazione di altri tipi di energia (come quella idraulica, solare, nucleare e chimica).

Questa:

• E’ comoda (basta premere un interruttore ed è subito disponibile);
• E’ pulita (non produce polveri o residui nel luogo di consumo);
• Può essere trasportata a migliaia di chilometri di distanza dal luogo di produzione;
• Può essere facilmente ritrasformata in altre forme di energia;
• E’ difficile da immagazzinare in grandi quantità (i dispositivi che svolgono questa funzione sono costosi, ingombranti e di breve durata).

Consigli

Il consumo di energia elettrica in tutti i Paesi è in crescita. Questa crescita può essere un problema perché il processo con cui essa viene prodotta genera inquinamento. Risparmiando energia si riducono le emissioni dannose prodotte dalle centrali elettriche, si conservano risorse naturali e si proteggono gli habitat naturali preziosi dalla distruzione. Quindi, spegniamo le luci quando non servono più, abbassiamo il riscaldamento (o l’aria condizionata), evitiamo di tenere gli elettrodomestici in standby.

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