Generare e trasformare l’elettricità: nello scorso video abbiamo visto la struttura dell’atomo e come nasce l’elettricità. Ora vediamo come si può generare una tensione elettrica per poterla sfruttare. Per farlo possiamo sfruttare sia dei fenomeni di natura fisica che dei fenomeni di natura chimica.
Un po’ di storia
Tra i fenomeni fisici possiamo ricordare quelli elettrostatici per strofinio, noti fin dall’antichità e già documentati da Talete di Mileto nel 600 A.C.. Da questi fenomeni deriva il nome stesso dell’elettricità: deriva dalla parola greca ílektro, che significa semplicemente “ambra”.
Già all’epoca era noto che, strofinando un pezzo d’ambra su di un panno di lana, era possibile produrre delle piccole scintille od attirare piccoli pezzetti di carta o pagliuzze.
Un altro fenomeno fisico che può produrre elettricità è quello termo-elettrico: se mettiamo a contatto due metalli diversi e li riscaldiamo, tra le due parti si genererà una piccola tensione. Questo accoppiamento bi-metallico viene chiamato “termocoppia” e viene generalmente impiegato più per misurare le temperature che per produrre energia elettrica.
Veniamo poi ai fenomeni fisici più sfruttati dal punto di vista pratico: l’induzione elettromagnetica e l’effetto fotovoltaico.
L’elettromagnetismo
Tra i sistemi per generare e trasformare l’elettricità, l’elettromagnetismo svolge un ruolo di primo piano: il moto dell’elettrone attorno al nucleo genera un campo magnetico. Di conseguenza, un campo magnetico può interferire col moto di un elettrone fino al punto di fargli lasciare la sua orbita. Per essere più precisi, questo fenomeno si verifica quando un campo magnetico VARIABILE investe un circuito elettrico.
L’effetto fotovoltaico, invece, è causato dall’interazione dei fotoni con la materia.
Ogni forza fondamentale ha il suo bosone vettore, cioè una particella che permette di trasmetterla. Il fotone è il bosone vettore dell’interazione elettromagnetica. Scendere più nel dettaglio significherebbe iniziare a parlare di “quanti” e via discorrendo, quindi per il momento è meglio tralasciare ed accontentarsi del fatto che, quando un fotone colpisce un elettrone, l’elettrone ne assorbe l’energia e se questa è abbastanza alta l’elettrone può compiere un salto verso l’esterno.
La pila di Volta
Quando ci raccontano dell’elettricità, qualcuno dice che è stata scoperta da Alessandro Volta che ha inventato la pila. Questo non è affatto vero: l’elettricità era già nota e lo stesso Volta stava già studiando altri sistemi per produrre energia elettrica. È però vero che sulla fine del 1799 ha inventato la pila.
La pila è un esempio di come, attraverso reazioni chimiche, è possibile spostare delle cariche elettriche e quindi generare elettricità.
Nel video sull’atomo e l’energia elettrica avevo detto come l’orbita di valenza degli elettroni determini delle caratteristiche chimiche della materia. Tra queste, la tendenza di alcune molecole di formare più facilmente degli ioni. Uno ione è un atomo od una molecola formata da più atomi legati tra di loro, che ha acquisito o perso uno o più elettroni.
Quando degli ioni sono coinvolti in una reazione chimica, spostano delle cariche elettriche. Nella pila di Volta vi era un’alternanza di dischi di zinco e di rame. Lo zinco era a contatto di un panno umido di una soluzione di acido solforico e questo faceva in modo che si creassero ioni di zinco. Durante la reazione lo zinco si consuma pian piano, mentre il rame rimane pressoché inerte.
Pile, accumulatori, batterie
Il termine ‘pila’ deriva proprio dal fatto che in origine si usavano tanti dischi impilati uno sopra l’altro.
Dai tempi di Volta ad oggi sono state sperimentate numerose reazioni chimiche in grado di produrre spostamenti di carica elettrica. In alcuni casi la reazione è irreversibile e porta alla morte della pila. Altre reazioni sono reversibili: per esempio, negli accumulatori al piombo usati nelle automobili, la corrente elettrica causa lo spostamento dell’ossido di piombo da uno strato all’altro, attraverso una soluzione di acido solforico. Quando si preleva energia, l’ossido di piombo viaggia in una direzione, quando si applica energia si sposta nella direzione opposta.
Questo tipo di ‘pile’ ricaricabili si chiamano accumulatori e, quando sono composti da più di un elemento prendono il nome di ‘batteria’. Nel gergo comune, però, spesso si chiama batteria tutto ciò che è ricaricabile. Per esempio, quelle dei cellulari, sarebbero più propriamente definibili come accumulatori, perché sono composte di un solo elemento. Eppure le chiamiamo batterie!
Gli effetti dell’elettricità sulla materia
Abbiamo visto alcuni metodi che permettono di generare l’elettricità. Vediamo come si può trasformare!
Abbiamo già visto, nei video precedenti, che esistono dei materiali conduttori e dei materiali isolanti. Gli isolanti, semplicemente, non lasceranno passare l’energia elettrica e quindi, su di loro non verranno prodotti effetti. Per i materiali conduttori, invece, le cose cambiano sensibilmente.
L’effetto più facile da osservare e da sfruttare è quello termico.
Effetto Joule e calore
Quando un flusso elettrico attraversa un conduttore lo riscalda per effetto Joule. Questo dipende dalla resistenza che la materia oppone al moto delle cariche elettriche. Questo riscaldamento è sempre presente e può essere un effetto voluto (nelle stufe o nei forni elettrici) oppure può essere un fastidioso effetto collaterale.
E luce sia!
Con l’elettricità si può produrre luce. Ci sono diversi sistemi per farlo. Il più antico e semplice, sfrutta proprio l’effetto Joule: un corpo riscaldato emette luce ad una lunghezza d’onda proporzionale alla sua temperatura. Quando arriva all’incandescenza inizia ad emettere luce via via sempre più bianca. È quello che accadeva all’interno delle vecchie lampadine ad incandescenza.
Un altro metodo per ottenere luce dall’elettricità è quello di ‘eccitare’ un gas fluorescente. È quello che succede nei tubi al neon delle insegne. Un metodo che sta a metà tra l’incandescenza ed il gas fluorescente è quello di trasformare l’aria stessa in un plasma incandescente: è quello che causa la luce dei fulmini e degli archi voltaici in generale.
Si possono poi sfruttare i fenomeni quantistici in di certi materiali. Nei materiali semiconduttori è possibile causare l’emissione di fotoni con l’elettricità. È il metodo più efficiente fin’ora conosciuto di produrre luce e si usa nei LED e nei LASER.
Luce, calore, azione!
Ma veniamo al movimento!
Ho già parlato della relazione tra elettricità e magnetismo. Questa relazione è bi-direzionale: se con un campo magnetico può produrre elettricità, con l’elettricità è possibile produrre movimento. Ma delle macchine elettriche tornerò a parlare nei prossimo video.
In chiusura, volevo solo accennare al discorso dell’efficienza. Quando si trasforma una forza in un’altra, non si riesce mai a farlo al 100%. Mai! È impossibile. Ci sono delle leggi fisiche che lo impediscono. Se voglio produrre calore usando una resistenza, una parte dell’energia verrà dispersa come luce, magari invisibile ad occhio come gli infrarossi, ma una parte di energia sarà dispersa. Se voglio produrre luce o movimento, una parte sarà dispersa come calore, etc.
Più è alta la percentuale di energia che riesco a trasformare nell’effetto che voglio, più è efficiente il sistema che utilizzo per farlo! Il discorso sull’efficienza è importantissimo e quindi tornerò spesso a parlarne!