Idraulico o elettricista?

Gli articoli scritti fino ad ora, ci hanno permesso di capire quali scienze stanno dentro al mondo della tecnologia e di comprendere anche qualche semplice concetto. Prima di addentrarci in argomenti più stuzzicanti, e più vicini alla vera tecnologia che oggi utilizziamo, dobbiamo proseguire su questo percorso per comprendere altri semplici concetti.

Dopo aver visto nel precedente articolo la struttura dell’atomo, cerchiamo di capire cos’è la corrente elettrica. Il quesito del titolo potrà essere fuorviante, ma vi assicuro che non è così, in quanto per studiare la corrente elettrica si ricorre spesso ad analogie con l’idraulica. E’ questo il motivo per cui un elettricista potrebbe essere paragonato ad un idraulico che invece di collegare tubi dove scorrono liquidi, collega dei fili dove scorrono le cariche elettriche e più esattamente gli elettroni.

La corrente elettrica infatti, è la quantità di cariche che scorrono in un conduttore nell’unità di tempo, detto in maniera più semplice è come se contassimo le cariche che passano in un filo conduttore per ogni secondo di tempo. Ricordando che la carica si indica con Q e si misura in Coulomb [C] , il tempo si indica con t e si misura in secondi [s] abbiamo che la corrente (che si indica con I) è data dal rapporto tra Q e t, perciò:

I=Q/t

La corrente si misura in Ampere [A] ed 1 Ampere corrisponde ad una carica di 1C al secondo. Giusto per avere un’idea di quanti elettroni scorrono nel conduttore con una corrente di 1Ampere, facciamo due brevi calcoli. Come detto nel precedente articolo la carica elettrica di un elettrone (che è uguale ma di segno opposto a quella del protone) è di -1,6022 × 10−19  Coulomb , che significa -1,6022 diviso 10.000.000.000.000.000.000, provate a dividere -1,6022 per 10 miliardi di miliardi ed otterrete la carica dell’elettrone in pratica è un valore piccolissimo. E ciò significa che un Coulomb di carica corrisponde a 6.241.418.050.181.001.123 elettroni (oltre a 6 miliardi di miliardi di elettroni).

Perciò se qualcuno dice che in un conduttore scorre una corrente di 1A è come se dicesse che in 1 secondo in quel conduttore passano oltre a 6 miliardi di miliardi di elettroni. Ma perché questi elettroni si muovono?

Un’altra domanda che invece vorrei fare invece è questa, ma se l’unica carica mobile dell’atomo è l’elettrone (visto che il protone è saldamente fermo nel nucleo dell’atomo) possiamo avere solo uno spostamento di carica negativa? E’ anche possibile avere un flusso di cariche positive? Per rispondere a questo quesito concedo al lettore (chiedendogli di non barare) 30 secondi di ragionamento.

29 secondi

28 secondi

27 secondi

26 secondi

25 secondi

24 secondi

23 secondi

22 secondi

21 secondi

20 secondi

19 secondi

18 secondi

17 secondi

16 secondi

15 secondi

14 secondi

13 secondi

12 secondi

11 secondi

10 secondi

9 secondi

8 secondi

7 secondi

6 secondi

5 secondi

4 secondi

3 secondi

2 secondi

1 secondo

Bene fine del siparietto e del ragionamento. La risposta è si, è possibile avere un flusso di cariche positive, attenzione non ho detto un flusso di protoni, è una cosa diversa.  I protoni sono fermi nel nucleo dell’atomo e l’unica cosa che si può muovere è l’elettrone ed infatti non ho chiesto se si possono spostare i protoni, ma le cariche positive. E lo spostamento di carica positiva avviene esattamente insieme a quello della carica negativa, se si sposta un elettrone da un punto A ad un punto B di un filo conduttore, si ha uno spostamento di una carica negativa da A a B ed uno spostamento di una carica positiva da B ad A.

Mi spiego meglio, sappiamo che in un atomo ci sono tanti elettroni quanti protoni perciò le cariche positive e negative si equivalgono e l’atomo è neutro. Ora con un disegno stilizzato consideriamo in un filo conduttore una fila di atomi che hanno (solo per convenienza e semplicità di ragionamento) un solo elettrone ed un solo protone, la situazione sarebbe questa:

Perciò non avremmo alcuna carica predominante lungo il conduttore. Ma se tramite un dispositivo misterioso riuscissi a staccare un elettrone  portandolo dall’altra parte del conduttore cosa accadrebbe?

Togliendo un elettrone dall’atomo di sinistra portandolo a quello di destra, accadrebbe che a sinistra la carica complessiva sarebbe positiva (perché la carica del protone non verrebbe annullata dall’elettrone che non c’è) mentre a destra la carica complessiva diverrebbe negativa (in quanto c’è un solo protone con due elettroni). Arrivati a questo punto si innescherebbe un movimento di cariche dovuto al fatto che la carica positiva a sinistra attrarrebbe a se l’elettrone vicino e cioè:

 

In pratica mentre l’elettrone (cioè la carica negativa scorre verso sinistra) la carica positiva si muove verso destra, ma non si sta muovendo il protone, solo l’elettrone è in movimento e salta da un atomo a quello vicino.

Una volta che la carica positiva arriva a destra, l’ultimo atomo si impossesserà dell’elettrone aggiuntivo, ed il conduttore diverrà nuovamente neutro.

Ma a questo punto il dispositivo misterioso porterà nuovamente degli elettroni presso la parte destra innescando nuovamente il flusso di cariche cioè una corrente elettrica. In pratica il dispositivo che non abbiamo ancora definito non fa altro che togliere elettroni da una parte e portarli dall’altra, mantenendo sempre tra i due punti una differenza di cariche, un positiva da una parte ed una negativa dall’altra. Non voglio scherzare ancora facendo scorrere 30 secondi di tempo con una domanda, perché credo che tutti abbiate capito qual’è questo oggetto misterioso. Basta aprire ad esempio un telecomando o un qualsiasi dispositivo elettronico, per trovare un oggetto che da una parte ha un + e dall’altra un , e cioè una batteria. Ecco svelato il dispositivo misterioso, altro non è che una batteria o per essere più corretti un generatore di tensione (vedremo prossimamente cos’è la tensione).

Comunque tornando alla corrente elettrica anche se il movimento è quello degli elettroni per convenzione si considera il movimento delle cariche positive, perciò la corrente elettrica si considera per convenzione uscente dal polo positivo di una batteria.

Uno schema elettrico che raffigura la situazione di cui sopra è il seguente, dove notiamo il simbolo elettrico che rappresenta una batteria ed il filo conduttore rappresentato da una linea.

Sconsiglio di realizzare un circuito come questo, che si otterrebbe collegando insieme i due poli di una batteria, causando così oltre a qualche scintilla la rottura della batteria, perché la corrente scorrerebbe senza alcun controllo.

 

Il movimento di cariche stilizzato nelle precedenti figure avviene realmente ma solo in presenza di materiali conduttori, quei materiali dove la banda di valenza si sovrappone a quella di conduzione, dando così luogo ad un’alta disponibilità di elettroni nel reticolo cristallino (vedi articolo precedente).

Perciò affinché ci sia una corrente elettrica, serve qualcuno che riesca a separare le cariche elettriche (batteria, generatore di tensione o altro) ed un materiale conduttore dove far scorrere le stesse cariche elettriche. E’ un po’ come in un sistema idraulico dove la pompa porta l’acqua dal basso in alto, mentre un tubo riporta l’acqua  nuovamente nel serbatoio in basso.

 

E’ questo il senso del quesito del titolo, ed andando avanti ci accorgeremo di quante analogie ci possono essere tra i circuiti elettrici e quelli idraulici. Analogie che sfrutterò per descrivere le principali grandezze elettriche, tra cui la tensione e la resistenza oggetto del prossimo articolo.

 

Grazie.

 

Lascia un commento

Il tuo indirizzo email non sarà pubblicato.