L'elettricità e il magnetismo sono due fenomeni profondamente collegati che governano gran parte della tecnologia moderna, dalla lampadina di casa al motore di un treno ad alta velocità.
Introduzione: due fenomeni, una sola forza
Quando accendi la luce della tua camera o avvicini una calamita allo sportello del frigorifero stai sfruttando due manifestazioni della stessa forza fondamentale, chiamata forza elettromagnetica. Per millenni gli esseri umani hanno osservato questi fenomeni senza comprenderli: i Greci antichi sapevano che strofinando l'ambra con un panno questa attirava piccoli pezzi di paglia, e i marinai cinesi usavano la bussola già nell'XI secolo. Solo nell'Ottocento, grazie a scienziati come Ørsted, Ampère, Faraday e Maxwell, si è capito che elettricità e magnetismo sono due aspetti dello stesso fenomeno. Oggi questa conoscenza è alla base di motori, generatori, computer e telefoni cellulari. In questa scheda esploreremo le cariche elettriche, la corrente, i circuiti, i magneti e il legame profondo che unisce questi due mondi. Capirai perché un filo percorso da corrente devia l'ago di una bussola e perché muovendo un magnetino dentro una bobina puoi produrre elettricità.
Le cariche elettriche
La materia è formata da atomi, e ogni atomo contiene particelle dotate di una proprietà chiamata carica elettrica: i protoni hanno carica positiva, gli elettroni carica negativa, mentre i neutroni sono privi di carica. Normalmente un corpo è elettricamente neutro perché contiene lo stesso numero di cariche positive e negative, ma può caricarsi se acquista o perde elettroni. La regola fondamentale dell'elettrostatica afferma che cariche dello stesso segno si respingono mentre cariche di segno opposto si attraggono, con una forza che diminuisce rapidamente all'aumentare della distanza. Un esempio quotidiano è quello del pettine di plastica strofinato con un panno di lana: il pettine acquista elettroni dalla lana e diventa negativo, riuscendo così ad attirare pezzettini di carta che invece sono neutri. Un altro esempio è la piccola scossa che senti quando, dopo aver camminato su un tappeto, tocchi una maniglia di metallo: il tuo corpo si è caricato per strofinio e si scarica improvvisamente. L'unità di misura della carica elettrica è il coulomb, indicato con il simbolo C, e un solo coulomb corrisponde alla carica di circa sei miliardi di miliardi di elettroni.
Conduttori e isolanti
Non tutti i materiali permettono alle cariche elettriche di muoversi al loro interno con la stessa facilità: i conduttori, come il rame, l'alluminio, l'oro e l'acqua salata, lasciano scorrere liberamente gli elettroni, mentre gli isolanti, come la plastica, il vetro, la gomma e il legno secco, impediscono questo movimento. La differenza dipende dalla struttura atomica del materiale: nei metalli alcuni elettroni più esterni si staccano facilmente dagli atomi e formano una nube di elettroni liberi, mentre negli isolanti tutti gli elettroni restano vincolati al proprio atomo. Un esempio molto chiaro è il cavo elettrico di casa, formato da un'anima di rame, che trasporta la corrente, e da una guaina di plastica colorata, che ti protegge dalle scariche pericolose. Un altro esempio sono i manici di gomma o di plastica delle pinze degli elettricisti, pensati proprio per isolare la mano da fili eventualmente sotto tensione. Esistono anche materiali intermedi, chiamati semiconduttori, come il silicio, che possono comportarsi da conduttori o da isolanti a seconda delle condizioni: con essi si fabbricano i microchip dei computer e degli smartphone. Conoscere la differenza tra conduttori e isolanti è essenziale anche per la sicurezza domestica.
La corrente elettrica e il circuito
La corrente elettrica è un movimento ordinato di cariche, di solito elettroni, che attraversa un conduttore quando ai suoi estremi viene applicata una differenza di potenziale, cioè una tensione misurata in volt. Per avere corrente serve un circuito chiuso, formato da un generatore (pila o batteria), da fili conduttori e da almeno un utilizzatore (lampadina, resistenza, motore); se il circuito è interrotto la corrente non scorre, proprio come l'acqua non gira in un tubo se manca un pezzo. L'intensità di corrente si misura in ampere, mentre l'opposizione che un materiale offre al passaggio degli elettroni si chiama resistenza e si misura in ohm. La legge di Ohm lega queste tre grandezze con la formula V = R · I, che ti dice quanto vale la tensione conoscendo resistenza e intensità. Un esempio pratico è la torcia tascabile: la pila fornisce la tensione, i contatti metallici sono i fili e la lampadina è l'utilizzatore che si accende quando chiudi l'interruttore. Un altro esempio sono le luci dell'albero di Natale, dove le lampadine possono essere collegate in serie, una dopo l'altra, oppure in parallelo, ciascuna su un ramo separato: nei circuiti in serie se si fulmina una lampadina si spengono tutte, mentre in parallelo le altre restano accese.
Effetti della corrente elettrica
Quando la corrente attraversa un conduttore produce diversi effetti, ognuno dei quali viene sfruttato in apparecchi che usi ogni giorno. L'effetto termico, detto anche effetto Joule, fa sì che il filo si scaldi a causa dell'urto degli elettroni con gli atomi del materiale, e questo principio è alla base del funzionamento di stufette, ferri da stiro, asciugacapelli e tostapane. L'effetto luminoso si manifesta quando un filamento si riscalda fino a diventare incandescente, come nelle vecchie lampadine, oppure quando un gas viene attraversato dalla corrente, come nelle insegne al neon e nei tubi fluorescenti. L'effetto chimico è quello per cui la corrente provoca reazioni nelle soluzioni, ad esempio nell'elettrolisi dell'acqua, che si scompone in idrogeno e ossigeno, oppure nella galvanizzazione che ricopre un oggetto con un sottile strato di metallo. L'effetto magnetico, infine, è quello che ci interessa di più perché unisce i due grandi temi di questa scheda: ogni filo percorso da corrente genera un campo magnetico intorno a sé. Ti puoi accorgere dell'effetto termico semplicemente toccando con cautela il caricabatterie del telefono dopo qualche minuto di utilizzo, mentre dell'effetto magnetico parleremo più avanti.
I magneti e il campo magnetico
Un magnete è un corpo capace di attirare il ferro e alcuni altri metalli come nichel e cobalto, e possiede sempre due regioni di massima attività chiamate polo nord e polo sud. Anche tagliando un magnete a metà non si ottengono mai un polo nord e un polo sud separati: si ottengono due magneti più piccoli, ciascuno con i propri due poli, e questo vale anche se continuiamo a dividerli ancora. Come per le cariche elettriche, poli uguali si respingono e poli opposti si attraggono, e lo spazio intorno al magnete in cui si manifesta questa forza si chiama campo magnetico, rappresentato con linee che escono dal polo nord ed entrano nel polo sud. Un classico esperimento scolastico consiste nel mettere un foglio sopra una calamita e spargere limatura di ferro: i granelli si dispongono lungo le linee del campo formando disegni eleganti che rendono visibile qualcosa di invisibile. Anche la Terra si comporta come un enorme magnete, con un polo magnetico vicino al polo nord geografico e uno vicino al polo sud, e per questo l'ago della bussola, libero di ruotare, si orienta sempre nella stessa direzione. Un altro esempio sono le calamite del frigorifero, che restano attaccate grazie alle minuscole regioni magnetiche presenti nella lamiera di acciaio della porta.
L'elettromagnetismo: quando elettricità e magnetismo si incontrano
Nel 1820 il fisico danese Hans Christian Ørsted scoprì per caso che l'ago di una bussola posto vicino a un filo elettrico si muoveva ogni volta che il filo veniva collegato a una pila, dimostrando per la prima volta il legame tra elettricità e magnetismo. Da questa osservazione nacque l'elettromagnetismo: una corrente elettrica genera sempre un campo magnetico, e questo effetto diventa più intenso se il filo viene avvolto a spirale formando una bobina, chiamata anche solenoide. Inserendo un nucleo di ferro dolce dentro una bobina si costruisce un elettromagnete, cioè una calamita che si accende e si spegne a piacere semplicemente aprendo o chiudendo l'interruttore, e questo dispositivo è utilizzato negli sfasciacarrozze per sollevare carcasse di automobili. Pochi anni dopo Michael Faraday dimostrò anche il fenomeno opposto, chiamato induzione elettromagnetica: muovendo un magnete dentro una bobina si genera corrente elettrica nella bobina stessa, senza bisogno di alcuna pila. Su questo principio funzionano le centrali elettriche, dove enormi turbine fanno ruotare magneti dentro bobine giganti per produrre la corrente che arriva nelle nostre case. Anche la dinamo della bicicletta usa lo stesso principio: la ruota fa girare un magnete vicino a una bobina e accende il faro.
Sicurezza elettrica e applicazioni
La corrente elettrica è uno strumento utilissimo ma può essere molto pericolosa per il corpo umano, soprattutto se attraversa il cuore, e per questo motivo gli impianti domestici sono dotati di dispositivi di protezione come il salvavita e l'impianto di messa a terra. Mai toccare interruttori o prese con le mani bagnate, perché l'acqua, soprattutto se contiene sali, è un buon conduttore e facilita il passaggio della corrente nel tuo corpo, ed evita di usare apparecchi elettrici vicino alla vasca da bagno o alla piscina. Il fulmine è una manifestazione naturale di elettricità statica: tra le nuvole e il suolo si accumulano cariche di segno opposto fino a quando la differenza di potenziale diventa così grande da provocare una scarica enorme, accompagnata da luce intensa e dal rombo del tuono. I parafulmini installati sugli edifici sfruttano la punta metallica e un cavo collegato a terra per guidare la scarica lontano dalle persone e dalle strutture. Le applicazioni dell'elettromagnetismo sono ovunque: dai motori delle automobili elettriche agli altoparlanti delle cuffiette, dai treni a levitazione magnetica che si muovono senza toccare le rotaie alla risonanza magnetica usata negli ospedali per ottenere immagini dettagliate del corpo umano. Capire questi fenomeni significa capire il mondo tecnologico in cui viviamo.
Ricorda
- Le cariche elettriche possono essere positive o negative: uguali si respingono, opposte si attraggono.
- I materiali si dividono in conduttori, isolanti e semiconduttori a seconda della facilità con cui le cariche si muovono al loro interno.
- La corrente elettrica è un flusso ordinato di elettroni; servono tensione (volt), intensità (ampere) e resistenza (ohm), legate dalla legge di Ohm V = R · I.
- I circuiti possono essere in serie o in parallelo e producono effetti termici, luminosi, chimici e magnetici.
- I magneti hanno sempre due poli, nord e sud, che non possono essere separati nemmeno tagliando il magnete.
- Elettricità e magnetismo sono collegati: una corrente genera un campo magnetico (Ørsted) e un magnete in movimento genera corrente (Faraday).
Piccolo esercizio di verifica: sul tuo quaderno disegna un semplice circuito elettrico formato da una pila da 4,5 V, un interruttore aperto, due fili e una lampadina; poi rispondi a queste domande in poche righe. La lampadina è accesa o spenta? Perché? Cosa succede se chiudi l'interruttore? Se la lampadina ha una resistenza di 3 ohm, calcola con la legge di Ohm l'intensità della corrente che la attraverserà a circuito chiuso. Infine spiega con parole tue che cosa accadrebbe se sostituissi i fili di rame con fili di plastica.