In questa lezione scopriamo come le cariche elettriche generano correnti nei circuiti e come i magneti creano campi che possono trasformarsi a vicenda, dando vita a tecnologie come motori e dinamo.
L'elettricità e il magnetismo sono due fenomeni che a prima vista sembrano molto diversi, ma in realtà costituiscono due facce della stessa medaglia. Per millenni sono stati studiati separatamente, finché nell'Ottocento scienziati come Ørsted, Ampère e Faraday hanno dimostrato il loro profondo legame. Oggi sappiamo che parlare di elettricità senza parlare di magnetismo è impossibile, perché ogni corrente elettrica genera un campo magnetico e ogni magnete in movimento può produrre corrente. Questa connessione, chiamata elettromagnetismo, è alla base di moltissimi oggetti che usiamo ogni giorno, dal frigorifero al telefono. Capire come funziona ci aiuta a comprendere il mondo tecnologico in cui viviamo.
Le cariche elettriche e la corrente
La materia è formata da atomi, che a loro volta contengono particelle dotate di carica elettrica: i protoni hanno carica positiva, gli elettroni hanno carica negativa e i neutroni non hanno carica. Le cariche dello stesso segno si respingono, mentre quelle di segno opposto si attraggono: questa è la prima legge fondamentale dell'elettrostatica. Quando strofiniamo una penna di plastica su un panno di lana, alcuni elettroni passano da un materiale all'altro e la penna si carica negativamente, diventando capace di attirare piccoli pezzetti di carta. Il movimento ordinato di elettroni lungo un filo conduttore costituisce la corrente elettrica, che si misura in ampere e viene messa in moto da una differenza di potenziale, misurata in volt. I materiali si dividono in conduttori, come i metalli, che lasciano passare facilmente la corrente, e isolanti, come la plastica o il vetro, che invece la bloccano.
Un circuito elettrico è un percorso chiuso in cui la corrente può scorrere e contiene almeno tre elementi essenziali: un generatore (come una pila), dei conduttori (i fili) e un utilizzatore (per esempio una lampadina). All'interno del circuito la resistenza, misurata in ohm, indica quanto un materiale ostacola il passaggio della corrente, e queste tre grandezze sono legate dalla legge di Ohm V = R · I. Gli elementi di un circuito possono essere collegati in serie, uno dopo l'altro sullo stesso filo, oppure in parallelo, su rami diversi che partono dallo stesso punto. Nelle case di solito si usa il collegamento in parallelo, perché così se una lampadina si rompe le altre continuano a funzionare regolarmente. La corrente che scorre porta con sé energia, che gli utilizzatori trasformano in luce, calore o movimento, ed è questa la ragione per cui paghiamo la bolletta in chilowattora.
I magneti e il legame con la corrente
Un magnete è un oggetto capace di attirare il ferro e alcuni altri metalli, e possiede sempre due poli, chiamati nord e sud, che non possono mai essere separati: se spezziamo una calamita a metà otteniamo due magneti più piccoli, ciascuno con i suoi due poli. Come per le cariche elettriche, i poli uguali si respingono e i poli opposti si attraggono, ma a differenza delle cariche i poli magnetici non esistono mai isolati. Intorno a ogni magnete c'è un campo magnetico, una regione di spazio in cui la sua influenza si fa sentire e che possiamo visualizzare spargendo limatura di ferro su un foglio appoggiato sopra la calamita. Anche la Terra si comporta come un'enorme calamita, e questo permette all'ago della bussola, che è un piccolo magnete libero di ruotare, di orientarsi sempre nella direzione nord-sud geografica. Senza il campo magnetico terrestre la vita sul nostro pianeta sarebbe esposta a radiazioni cosmiche pericolosissime.
Il legame tra elettricità e magnetismo è stato scoperto nel 1820 da Hans Christian Ørsted, che si accorse di come l'ago di una bussola posta vicino a un filo percorso da corrente devi dalla sua posizione di riposo. Questo significa che ogni corrente elettrica genera attorno a sé un campo magnetico, e su questo principio funzionano gli elettromagneti, bobine di filo che diventano magneti solo quando vengono attraversate dalla corrente. Pochi anni dopo Michael Faraday dimostrò anche il fenomeno inverso, chiamato induzione: muovendo un magnete dentro e fuori da una bobina di filo si genera corrente elettrica nel filo stesso. Questo principio è il cuore delle centrali elettriche, dove enormi turbine fanno ruotare magneti vicino a bobine per produrre la corrente che arriva nelle nostre case. Lo stesso fenomeno, in senso opposto, fa funzionare i motori elettrici delle automobili e degli elettrodomestici, trasformando elettricità in movimento.
Ricorda
- Le cariche uguali si respingono e quelle opposte si attraggono; la corrente è un flusso ordinato di elettroni in un circuito chiuso, regolato dalla legge V = R · I.
- I magneti hanno sempre due poli inseparabili e attorno a loro esiste un campo magnetico; la Terra stessa è una grande calamita che orienta le bussole.
- Elettricità e magnetismo sono legati: una corrente genera un campo magnetico, e un magnete in movimento genera corrente (induzione di Faraday).
- Esercizio attivo: disegna sul quaderno un circuito semplice con pila, interruttore, filo e lampadina, indicando con una freccia il verso della corrente; accanto, disegna una calamita con la limatura di ferro che mostra le linee del campo magnetico.