E-school  di  Arrigo Amadori

Tutorial di fisica

La corrente elettrica

La materia è costituita essenzialmente da atomi che a loro volta sono costituiti da protoni, neutroni ed elettroni. Protoni e neutroni sono confinati nel nucleo atomico, mentre gli elettroni, più leggeri, ruotano attorno al nucleo.

I protoni sono portatori di carica elettrica positiva mentre gli elettroni possiedono carica elettrica negativa. I neutroni, come dice la parola stessa, sono elettricamente neutri, cioè non trasportano alcuna carica elettrica.

La carica elettrica di un protone è uguale in valore assoluto (cioè senza considerare il segno) a quella di un elettrone. Si dice perciò che un protone ha carica "più uno" mentre un elettrone ha carica "meno uno".

Un atomo è normalmente elettricamente neutro, cioè il numero dei protoni eguaglia il numero degli elettroni. Tale numero è detto numero atomico.

Se un atomo acquista un elettrone, allora esso diviene uno ione negativo con carica "meno uno". Se acquista due elettroni, diventa uno ione negativo con carica "meno due". Ecc. ecc.

Se un atomo perde un elettrone, allora esso diviene uno ione positivo con carica "più uno". Se perde due elettroni, diventa uno ione positivo con carica "più due". Ecc. ecc.

Per esempio, è lo ione sodio più, è lo ione cloro meno è lo ione calcio più più (si dice proprio così !).

Ulteriori dettagli sono alla pagina :

        ../Atomi/Atomi.htm .

In generale, se si hanno cariche elettriche in movimento orientato, si dice che è presente una corrente elettrica.

L'aggiunta dell'aggettivo "orientato" è fondamentale perché così si escludono dalla nozione di corrente elettrica i moti caotici delle particelle (elettroni e protoni), moti sempre presenti che non costituiscono in effetti una corrente elettrica.

Consideriamo di seguito alcuni tipi di correnti elettriche di particolare importanza.

01 - Corrente elettrica nei liquidi.

Consideriamo il seguente semplice esperimento che può essere realizzato con materiale facilmente reperibile in casa.

Prendiamo una batteria, una lampadina (in grado di accendersi con la suddetta batteria) ed un bicchiere d'acqua di rubinetto

Con questi oggetti (a cui aggiungiamo opportuni fili di rame e morsetti elettrici) costruiamo il seguente circuito elettrico così schematizzato :

       

I due elettrodi immersi nell'acqua sono anch'essi fili di rame.

Nell'elettrodo collegato al polo positivo (l'anodo), a causa della batteria, vi è una mancanza di elettroni mentre nell'elettrodo collegato al polo negativo (il catodo) vi è un'abbondanza di elettroni.

       

        (la mancanza o l'abbondanza di elettroni è relativa agli elettrodi, anche se, per esigenze grafiche, i segni  "+"  e  "-"  sono stati posti nelle vicinanza degli elettrodi, apparentemente nel liquido)

Nell'acqua nono disciolti ioni positivi e negativi in piccola concentrazione (ci se ne può rendere conto leggendo l'etichetta di una qualsiasi bottiglia di acqua minerale !!).

       

Cosa succederà alla lampadina ? Si accenderà o resterà spenta ?

Gli ioni positivi disciolti nell'acqua verranno attratti verso il catodo mentre gli ioni negativi verranno attratti verso l'anodo.

       

Uno ione positivo (supponiamo carente di un solo elettrone), arrivato in contatto con il catodo, riceverà un elettrone diventando così un atomo neutro. Analogamente, uno ione negativo  (supponiamo avente un solo elettrone in più), arrivato in contatto con l'anodo, gli rilascerà un elettrone diventando così un atomo neutro.

Nell'anodo, quindi, entreranno elettroni e dal catodo usciranno elettroni

Gli elettroni penetrati nell'anodo verranno "richiamati" dalla batteria (nei fili, come vedremo in seguito, gli elettroni sono "praticamente liberi" di muoversi soggetti solo ad una semplice "resistenza" dovuta agli urti con gli atomi presenti nel metallo, di solito rame, di cui sono costituiti i fili elettrici) e "spinti" (all'interno della batteria, a causa di reazioni elettrochimiche caratteristiche del tipo di batteria e che qui non descriveremo) verso il catodo (l'altro elettrodo).

       

        (le cariche in moto nei fili e nella batteria sono elettroni) (le dimensioni grafiche di ioni ed elettroni sono arbitrarie) 

Si creerà quindi una corrente elettrica !!! 

Nell'acqua vi è un movimento di ioni verso gli elettrodi di segno opposto, nei fili e nella batteria vi è un movimento di elettroni che fuoriescono dal polo negativo della pila ed entrano nel polo positivo della medesima.

Finché la batteria sarà in grado di "pompare" gli elettroni così come abbiamo indicato, negli elettrodi in acqua persisterà carenza od abbondanza di elettroni e nuovi ioni disciolti in acqua saranno attratti verso gli elettrodi per cui la corrente persisterà.

Ma la natura è sempre più complicata di come noi umani riusciamo a schematizzarne i comportamenti !!! In effetti, quello che stiamo descrivendo è solo uno schema concettuale semplicistico che serve solo a comprendere il concetto di corrente elettrica nei liquidi. In realtà, gli ioni, una volta scaricata od acquisita la loro carica in eccesso o in difetto, diventando cioè neutri, rimangono attorno agli elettrodi costituendo una sorta di "schermo" nei confronti di altri ioni che così non sarebbero più facilmente attratti dagli elettrodi ... in poche parole, per mantenere la corrente, occorre ... "mescolare" l'acqua ...

Ma ritorniamo alla domanda di poco fa : si accenderà la lampadina ?

Siccome gli ioni disciolti in acqua sono normalmente "pochi", la corrente elettrica che si genera è molto bassa e quindi non in grado di illuminare la lampadina !!!

Come ottenere allora l'accensione della lampadina ?

Se avessimo più ioni disciolti in acqua, sicuramente avremmo una corrente elettrica maggiore per cui la lampadina potrebbe accendersi. 

Aggiungiamo allora una certa quantità (per esempio qualche cucchiaino) di sale da cucina nell'acqua.

Il sale da cucina è costituito principalmente di molecole di cloruro di sodio. Una molecola di cloruro di sodio è costituita da un atomo di cloro ed uno di sodio. Il simbolo chimico è  .

Gli atomi di cloro e di sodio, nel sale da cucina solido, formano un reticolo cristallino che può essere così schematizzato :

       

(i nodi del reticolo vengono occupati da ioni  alternativamente)

Messo il sale da cucina in acqua, esso si scioglie, ovvero le molecole di acqua si "inseriscono" fra gli atomi di cloro e sodio rompendone il legame (che è semplice attrazione elettrica). Gli ioni   , prima legati elettricamente a formare il reticolo cristallino (solido), a causa dell'azione dell'acqua (che per questo si dice che è un solvente), ora sono praticamente liberi di muoversi nel liquido. 

Questa proprietà dell'acqua di essere un solvente rappresenta una delle sue più importanti proprietà. Essa dipende dal fatto che ogni molecola d'acqua  ( ) presenta una "asimmetria elettrica", una polarità, per cui le molecole dell'acqua riescono ad "inserirsi" in molti casi fra gli atomi di altre molecole rompendone i legami, cioè sciogliendole

Una molecola d'acqua si dice che costituisce un dipolo elettrico.

       

        (il numero delle cariche indicate è solo indicativo)

L'acqua, però, non costituisce un solvente per ogni tipo di molecola. Per esempio, come tutti sanno, l'olio non si scioglie nell'acqua !! Questo significa che le molecole dell'acqua non riescono ad "insinuarsi" fra gli atomi che costituiscono le molecole presenti nell'olio.

Inoltre occorre tenere presente che, in presenza di elettrodi carichi, i dipoli elettrici che costituiscono le molecole di    tenderanno ad allinearsi come indicato nel grafico :

       

Naturalmente non si orienteranno tutti in quel modo, perché l'agitazione termica delle molecole d'acqua introduce un disordine ineliminabile, ma la tendenza sarà quella.

E' quindi chiaro che l'acqua pura (costituita solo da molecole di  e priva di ioni disciolti in essa) è un isolante elettrico, cioè essa non è conduttrice di elettricità ed in essa non vi può scorrere alcuna corrente elettrica

Naturalmente l'acqua pura al 100% non esiste ed è sempre presente una certa quantità di ioni disciolti in essa. Per questo motivo, mai usare apparecchiature elettriche nelle vicinanze di acqua !!!

C'è anche da dire che qualche molecola d'acqua (in percentuale molto bassa) si dissocia negli ioni    e  per cui, anche se l'acqua fosse pura al 100%, si avrebbe in ogni modo una corrente, anche se molto debole

Ma torniamo al nostro esperimento.

Essendo il numero degli ioni  sciolti nell'acqua molto alto, si verrà a formare una corrente elettrica questa volta sufficiente ad accendere la lampadina.

       

Le cariche indicate nel liquido sono gli ioni     in movimento ciascuno verso il polo di carica opposta mentre le frecce lungo il circuito indicano la corrente di elettroni.

Riassumendo, in un liquido si può ottenere una corrente di ioni mentre nei fili elettrici del circuito si ha una corrispondente corrente di elettroni.

02 - Corrente elettrica nei solidi.

La corrente elettrica nei solidi acquista una particolare importanza nelle applicazioni tecnologiche dell'elettricità. I circuiti elettrici presenti nelle apparecchiature elettriche ed elettroniche anche di uso più comune sfruttano le proprietà delle correnti elettriche nei solidi. 

Il materiale più usato per costruire tali circuiti elettrici è il rame perché permette il passaggio della corrente elettrica in modo egregio. Meglio del rame sarebbe l'argento, ma, a causa del prezzo, esso trova utilizzi molto limitati.

Altri tipi di materiali solidi hanno addirittura la proprietà di non fare passare la corrente elettrica. Tali materiali sono detti isolanti, mentre quelli che fanno passare più facilmente l'elettricità (rame, oro, ecc. ) sono detti conduttori. I metalli sono di solito buoni conduttore mentre isolanti, o cattivi conduttori, sono il vetro, la ceramica, la plastica, la carta, il legno, ma anche l'acqua distillata (come già visto) e l'aria asciutta e pulita.

Vediamo ora, in modo molto qualitativo e descrittivo, come avviene la formazione di una corrente elettrica nel rame.

Consideriamo un tratto di filo di rame. In esso gli atomi di rame sono disposti su un reticolo cristallino, ovvero sono praticamente posizionati in punti fissi dentro il filo. In realtà, in natura non vi è nulla di fisso ed immobile, per cui gli atomi di rame non sono proprio fissi, ma oscillano, vibrano, attorno a punti geometrici definiti che costituiscono i vertici (i nodi) del reticolo.

I metalli, in generale, hanno la proprietà di avere gli elettroni più esterni, cioè gli elettroni più distanti dal nucleo, molto poco legati all'atomo. Questo significa che gli elettroni più esterni possono facilmente "uscire" dall'atomo e "vagare" nel reticolo cristallino.

Nel nostro caso, il rame (simbolo chimico  Cu ) ha 29 elettroni (in corrispondenza di 29 protoni del nucleo per cui l'atomo è nel suo complesso neutro). I primi 28 elettroni sono normalmente posizionati (ruotando) in modo abbastanza stabile attorno al nucleo mentre il ventinovesimo elettrone, quello più esterno, è "quasi" (nel senso che esso è in ogni caso sempre un po' legato all'atomo) libero di staccarsi dall'atomo. 

Graficamente, in modo qualitativo, l'atomo di rame potrebbe essere rappresentato in questo modo :

       

Il nucleo contiene 29 protoni positivi (assieme ad un certo numero di neutroni che qui non interessa considerare perché elettricamente neutri). I 28 elettroni negativi delle orbite più interne sono fortemente legati al nucleo mentre il ventinovesimo elettrone, isolato dagli altri, è debolmente legato all'atomo ed è quindi in grado di staccarsi da esso molto facilmente.

Il reticolo del filo di rame si presenta allora in questo modo :

       

        (dimensioni e proporzioni arbitrarie)

Gli elettroni esterni degli atomi di rame si muovono "praticamente" liberamente dentro il reticolo. Il risultato è che si ha un reticolo "rigido" di ioni positivi (a carica +1) di rame ed un "mare agitato" di elettroni "quasi" liberi di muoversi nel reticolo. Questo è ciò che avviene normalmente nei metalli.

Come si muovono questi elettroni nel reticolo ? La risposta, come già sopra evidenziato con la parola "agitato", è evidente : in modo disordinato (caotico), facendo continuamente lo "slalom" fra gli ioni del reticolo. Un elettrone lascia un atomo, subito un altro prende il suo posto, e questo in modo incessante. Il risultato è appunto un moto disordinato di elettroni (quasi) liberi. Si noti però, che gli elettroni normalmente si muovono all'interno del reticolo senza uscirne (se non molto raramente, quando casualmente ne possiedono l'energia necessaria).

E' molto interessante sapere che questo moto caotico è molto veloce, dell'ordine di mille chilometri al secondo !!!

Chiaramente, in questa situazione, pure essendo in presenza di un notevole movimento di elettroni, non è presente nessuna corrente elettrica, in quanto, per corrente elettrica, si considera un moto orientato di particelle cariche. Qui gli elettroni, lo ribadiamo, si muovono e molto velocemente, ma non in modo orientato, bensì in modo caotico !!! Quindi non formano alcuna corrente elettrica.

Cosa succede se ai capi del nostro filo di rame poniamo delle cariche elettriche stabili di segno opposto, per esempio collegandolo ad una batteria ? Succederà che gli elettroni liberi tenderanno a muoversi nella stessa direzione, pur mantenendo il loro moto caotico di cui si è parlato sopra. Gli elettroni, se pur disordinatamente, tenderanno a spostarsi verso la carica positiva che abbiamo introdotto. Ciò che avviene nel filo è paragonabile ad un "gregge di pecore" (gli elettroni) che, pur mantenendo un suo disordine intrinseco (le singole pecore, brucando, possono muoversi localmente in modo disordinato) complessivamente si sposta lungo un pascolo in una certa direzione.

Si è quindi instaurata una corrente elettrica, ovvero un moto orientato di particelle cariche (verso il polo positivo, essendo gli elettroni negativi che si spostano verso il polo positivo).

Graficamente, senza indicare il moto caotico intrinseco degli elettroni :

        

        (dimensioni e proporzioni arbitrarie)

La corrente elettrica che si produce, quindi, è prodotta dai soli elettroni perché gli ioni di rame del reticolo non sono in grado di spostarsi verso il polo negativo perché troppo pesanti e troppo legati all'interno del reticolo.

Questa costituisce una fondamentale differenza rispetto alle correnti elettriche nei liquidi, dove a muoversi nel liquido sono sia ioni positivi che ioni negativi. 

E' altresì molto interessante sapere che il moto degli elettroni "in blocco" verso il polo positivo è molto lento, dell'ordine di un decimo di millimetro al secondo !!!

Si noti infine la "facilità" con cui si ottengono le correnti elettriche nei solidi conduttori e questo a tutto vantaggio delle applicazioni tecnologiche.

03 - Corrente elettrica nei gas.

Consideriamo una certa quantità di aria e due cariche elettriche, una positiva ed una negativa, posizionate in essa ad a certa distanza l'una dall'altra.

L'aria è costituita da molecole di gas quali l'azoto, l'ossigeno, il biossido di carbonio, ma anche acqua (presente come vapore) e da molte altri composti anche solidi (per esempio le polveri prodotte dall'inquinamento). Se l'aria fosse composta solo da molecole di gas (quali l'azoto, l'ossigeno ed il biossido di carbonio) sarebbe un ottimo isolante perché queste molecole non sono normalmente ionizzate. Questo significa che non essendo presenti ioni, non vi sarebbe movimento di cariche elettriche verso le due cariche immesse in aria che fungono da poli elettrici.

       

        (dimensioni e proporzioni arbitrarie)

Le cose, invece, stanno in modo molto diverso. Per cause molteplici, nell'aria sono presenti molti ioni, sia negativi che positivi. Tali ioni vengono prodotti per esempio da questi fenomeni :

        -    i raggi cosmici, che sono particelle molto energetiche provenienti dal cosmo, colpiscono le molecole presenti nell'aria ionizzandole, cioè, in questo caso, strappando da esse alcuni elettroni 

        -    le molecole, urtando fra loro, si possono facilmente ionizzare 

        -    le radiazioni elettromagnetiche ad alta energia (raggi ultravioletti, raggi x, raggi gamma) ionizzano gli atomi che colpiscono

        -    i sali disciolti nelle goccioline d'acqua in sospensione dell'aria sono normalmente separati in ioni

Naturalmente, nell'aria sono presenti anche elettroni liberi.

Per la presenza di questi ioni, fra le due cariche si forma una corrente elettrica : gli ioni positivi vanno verso il polo negativo mentre gli ioni negativi vanno verso il polo positivo.

       

        (dimensioni e proporzioni arbitrarie)

Se tale corrente assume caratteri molto energetici, si ottengono scariche elettriche o scintille più o meno grandi.

Scintille si possono ottenere nei circuiti elettrici mentre, durante i temporali, si formano i fulmini che non sono altro che enormi scintille.

Analogamente a quanto fin qui mostrato, si possono ottenere correnti elettriche anche nei tubi ad incandescenza utilizzati ormai ovunque per l'illuminazione (case, strade). In questi tubi è presente un gas molto rarefatto.

Per comprendere meglio il fenomeno delle scariche elettriche (scintille, fulmini) è necessario tenere presente il fenomeno a "valanga" che si produce quando si genera la scarica. Quando uno ione viene accelerato, perché attirato dal polo di segno opposto, assume una certa energia tanto maggiore quanto maggiori sono le cariche dei poli presenti che lo attraggono. Siccome nei gas la materia è rarefatta, un tale ione accelerato riesce a percorrere liberamente un tratto di spazio sufficiente a fargli assumere una energia cinetica (e quindi una velocità) molto alta. Questo ione, così accelerato, viene ad urtare per esempio una molecola di ossigeno originariamente non ionizzata. L'urto può essere così energetico da riuscire a ionizzare gli atomi di ossigeno della molecola. In questo modo, il numero degli ioni aumenta, moltiplicandosi, a valanga. Il risultato è allora una "amplificazione" della scarica la quale, in assenza di questi nuovi ioni generati durante il fenomeno, sarebbe molto più debole di quella che effettivamente si produce. 

Per capire, invece, il perché le scariche elettriche producono anche luce, occorre ricordare che, secondo la meccanica quantistica, quando un elettrone "salta" da un'orbitale interno ad uno più esterno assorbe energia, mentre quando "salta" da un orbitale esterno ad uno più interno la riemette sotto forma di fotone luminoso. Gli atomi coinvolti nel fenomeno della scarica elettrica subiscono innumerevoli urti da parte degli ioni in "corsa" verso i poli di segno opposto. Tali urti forniscono agli elettroni degli atomi urtati energia sufficiente a far sì che essi saltino in orbite più esterne grazie a questo apporto di energia extra. Poi, tornando nelle orbite più interne (perché la natura "cerca" sempre stati ad "energia minore"), quest'energia viene riemessa sotto forma di fotoni di luce. Ecco perché le scintille emettono anche luce.

Se poi il gas in cui avviene la scarica elettrica (come avviene nei tubi per l'illuminazione) fosse costituito da una sola specie atomica (per esempio vapori di mercurio, di sodio ecc. (il neon non si usa praticamente più)) si avrebbe l'emissione di una luce monocromatica. Questo perché il "salto quantico" degli elettroni è sempre fra livelli ad energia prefissata che può assumere solo ben determinati valori (secondo i principi della meccanica quantistica). Per esempio, se l'orbitale 1 avesse energia 10 e l'orbitale 2 avesse l'energia 13, saltando da 1 a 2, l'elettrone dovrebbe assorbire un'energia pari a 13 - 10 = 3 , mentre saltando da 2 a 1, egli dovrebbe emettere energia pari ancora a 3. Dato un valore di una tale differenza di energia, sempre secondo la meccanica quantistica, si ottiene una unica bene determinata frequenza luminosa.

Il sodio emette luce gialla, il mercurio emette luce incolore con una intensa componente blu. L'idrogeno, invece, emette luce rossa (ecco perché le nubi interstellari in cui si generano le stelle appaiono rosse).

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