Illuminare, riscaldare, attivare meccanismi, comunicare e tante altre cose. Sfruttando gli effetti dell’elettricità e dell’elettromagnetismo si possono fare tutte queste cose. Ma che cos’è l’elettricità? Nello scorso video ho accennato al fatto che fosse una delle manifestazioni di una forza fondamentale. In questo video andiamo a vedere un po’ più da vicino la sua natura.
Come dicevo nel video sulle forze fondamentali, l’elettromagnetismo è la manifestazione di una di queste, l’interazione elettrodebole. Per capire un po’ meglio di cosa si tratta bisogna andare a vedere la struttura della materia. Niente paura, lo farò in maniera decisamente nozionistica, a livello di ricerchina da scuola media! Ma andiamo a cominciare con un esempio semplice!
Cos’è la materia
Per capire com’è fatta la materia prendiamo come esempio una zolletta di zucchero. È un esempio molto utile, perché con poca fatica la possiamo sgretolare in piccoli frammenti. Questi frammenti sono dei granelli, o meglio ancora dei cristalli di zucchero. Se potessimo vedere di cosa sono fatti questi cristalli, vedremmo che sono composti da tante molecole di saccarosio.
Il saccarosio, è composto a sua volta di ATOMI di elementi chimici diversi: idrogeno, carbonio ed ossigeno. Ecco, facciamo finta che si possano separare facilmente tra di loro e vediamo com’è fatto un atomo! Prendo per esempio un atomo di carbonio, che è molto interessante e ci tornerà utile più avanti, nei prossimi video!
Il carbonio è un elemento chimico. Gli elementi chimici sono proprio atomi caratterizzati da una particolare struttura atomica. La struttura atomica è quello che rende ogni elemento diverso dagli altri. Ora, facciamo finta che sia facile smontare un atomo e vediamo di cosa è costituito. Se potessimo ingrandirlo fino a vederlo, ci sembrerebbe un piccolo corpuscolo con dei corpuscoli ancora più piccoli che gli ruotano attorno.
Com’è fatto un atomo
I corpuscoli che ruotano in giro sono gli elettroni e torneremo a parlarne tra poco. Il corpuscolo al centro di questa struttura è invece il nucleo, che in questo momento è ancora più interessante perché, a differenza dell’elettrone, è ancora ‘smontabile’ in parti più piccole. Queste parti sono protoni e neutroni. Trascuriamo per un po’ i neutroni, in questo discorso non c’interessano.
Per capire cos’è l’elettricità e quindi l’elettromagnetismo, al momento ci basta sapere che in un atomo ci sono un certo numero di protoni. Il numero di protoni, detto NUMERO ATOMICO, definisce di che atomo, di che elemento si tratta. In questo discorso, però, c’interessa sapere una cosa soltanto: i protoni sono dotati di una CARICA ELETTRICA positiva, mentre gli elettroni hanno una carica elettrica negativa.
In condizioni normali, gli atomi tendono ad avere tanti elettroni quanti sono i protoni all’interno del loro nucleo. E qui, inizia il discorso sull’energia elettrica! Prima di procedere, però, faccio un attimo un cenno riguardo i neutroni per non lasciare il discorso in sospeso in eterno, anche se non è inerente a questo discorso.
Cosa sono gli isotopi
Abbiamo visto che il numero atomico, cioè il numero di protoni, determina di che elemento si tratta. Il numero di neutroni, invece, determina la massa atomica e può variare tra due atomi dello stesso elemento. Se i due atomi dello stesso elemento hanno un numero di neutroni diversi, si dirà che sono due ISOTOPI diversi dello stesso elemento. Un attimo di pausa e torniamo subito a parlare di elettricità!
Abbiamo visto che elettroni e protoni hanno cariche elettriche opposte e che normalmente un atomo ha tanti elettroni quanti protoni. Mancano un paio di nozioni e ci siamo. Torniamo al nostro atomo di carbonio e vediamo com’è fatto: al suo interno ci sono 6 protoni. Questo vuol dire che attorno al nucleo orbiteranno 6 elettroni. Più precisamente, questi saranno disposti secondo due orbite diverse: un’orbita più interna in cui ruoteranno due elettroni ed una più esterna in cui orbitano quattro elettroni.
Più avanti tornerò a parlare del perché è così interessante che siano proprio quattro quelli nell’orbita più esterna. Per ora è sufficiente sapere che ad ogni orbita corrisponde una banda di energia e l’orbita più esterna, detta anche di valenza, determina delle caratteristiche degli elementi. In generale, senza scendere troppo in dettagli e numeri, ogni orbita può contenere al massimo un numero noto e finito di elettroni, ma possono esservene anche di meno.
La banda di conduzione
Gli atomi che hanno un’orbita di valenza non completa tenderanno a perdere ulteriori elettroni se questi sono pochi, a catturarne da altri atomi se l’orbita è quasi completa. Un’ultima cosa e ci siamo! Se un atomo ha una banda non completa, cioè un’orbita in cui mancano degli elettroni e questa banda è quella a più bassa energia tra quelle non complete, questa viene chiamata banda di conduzione.
Gli elementi in cui la banda di valenza e la banda di conduzione si sovrappongono sono materiali conduttori, quelli in cui sono molto separate sono isolanti. Poi vi è un limitato numero di elementi in cui queste bande sono separate, ma da un gap energetico così basso che possono comportarsi sia da conduttori che da isolanti a seconda delle circostanze: sono i materiali semiconduttori e torneremo a parlarne in un altro video.
Ma torniamo all’argomento di questo video e riprendiamo da questi materiali: abbiamo distinto isolanti e conduttori, ma di cosa? In generale, un materiale conduttore conduce bene tanto il calore quanto l’elettricità. Ed a tal proposito, adesso abbiamo elementi a sufficienza per spiegare un po’ meglio cos’è l’elettricità!
Cos’è la carica elettrica
Abbiamo visto che alcuni atomi hanno la tendenza a perdere alcuni elettroni dall’orbita più esterna. Generalmente, un elettrone esce dalla sua orbita quando è attratto da un atomo che ha un posto libero, ma talvolta capita che quando l’elettrone arriva a destinazione quel posto sia già stato occupato da un altro elettrone. Quindi, in alcune circostanze, è perfettamente normale che vi sia un certo numero di elettroni liberi di girare da un atomo all’altro in cerca di una posizione stabile in cui fermarsi.
Abbiamo anche visto che gli elettroni sono dotati di una carica elettrica, che per convenzione è stata definita negativa. Bisogna ancora dire che cariche elettriche dello stesso segno si respingono e cariche di segno opposto si attirano. Tanto per motivi naturali che artificiali (e poi vedremo quali), è possibile che in un punto di un materiale si concentrino molti più elettroni di quanti sarebbe normale ce ne siano e che quindi in questo punto abbondino delle cariche negative.
Cos’è l’elettricità
Alla stessa maniera, da un’altra parte, verrà a formarsi un punto in cui ci sono molti meno elettroni di quanti sarebbe normale aspettarsi e che quindi in questo punto abbondino delle cariche elettriche positive. Questi due punti, tra loro opposti, saranno quindi soggetti ad una differenza di potenziale elettrico. La differenza di potenziale elettrico viene anche chiamata tensione elettrica o forza elettromotrice e si misura in volt, in onore ad Alessandro Volta.
Quello che succede dopo, dipende da cosa si trova in mezzo a questi punti soggetti ad una differenza di potenziale: se c’è un materiale conduttore, gli elettroni fluiranno liberamente attraverso di esso generando una corrente elettrica. La corrente elettrica è quindi un flusso di cariche elettriche da un polo più carico ad uno meno carico. L’intensità di questo flusso si misura in Amperé e rappresenta la quantità di carica elettrica trasportata in un secondo.
Se tra i due poli elettrici c’è invece un isolante, non si avrà alcun trasferimento di carica, almeno finché la tensione elettrica non sia così alta da ‘rompere’ la RIGIDITÀ DIELETTRICA del materiale isolante. È quello che succede, per esempio, quando tra le nuvole ed il suolo viene a formarsi una differenza di potenziale di alcuni chilovolt per metro e quindi scocca quella grande scintilla che normalmente chiamiamo fulmine. Ed ecco spiegato cos’è l’elettricità!