elettricità

Lessico

Sf. [sec. XVIII; da elettrico].

1) Termine generico indicante tutti i fenomeni fisici cui partecipano le cariche elettriche, sia in quiete, sia in moto; in questa accezione è sinonimo di elettrologia. I fenomeni elettrici tuttavia non possono essere studiati indipendentemente da quelli magnetici, per cui lo studio dell'elettricità viene ormai compreso nell'ambito degli studi sull'elettromagnetismo. Con altra accezione, è sinonimo di carica elettrica, così come lo è il termine quantità di elettricità. Elettricità statica, complesso di cariche elettriche che si formano su corpi elettricamente isolati, in condizioni atmosferiche particolari (tempo freddo e secco).

2) Nel linguaggio comune, l'energia elettrica. Fig., irrequietezza, nervosismo: nell'assemblea si notava molta elettricità.

Cenni storici: dall'età classica al XVII secolo

Sebbene i Greci avessero già constatato l'esistenza di fenomeni elettrici (per esempio, l'attrazione di pagliuzze per strofinio dell'ambra), solo nel Rinascimento ci si pose il problema di ampliare le esperienze secondo una sempre più chiara visione metodologica. Dopo i lavori di G. Fracastoro, G. Cardano e G. B. Della Porta, ancora notevolmente influenzati dalla cultura scolastica, W. Gilbert, medico di corte della regina Elisabetta, pubblicò nel 1600 il fondamentale trattato De magnete, magneticisque corporibus et de magno magnete tellure physiologia nova (La nuova fisiologia del magnete, dei corpi magnetici e del grande magnete della Terra), nel quale descrisse moltissime esperienze, ca. 600, di cui alcune veramente originali, e tentò di spiegare i fenomeni studiati con una teoria che sebbene ingenua (tutti i corpi deriverebbero da due soli elementi primi, la terra e l'acqua, ed essendo l'acqua uncinata, solo i corpi originati da essa avrebbero la proprietà di attirare i corpiccioli) consentiva tuttavia di respingere le teorie precedenti che ritenevano il calore responsabile dell'attrazione e che introducevano ipotetici “effluvi”. Dopo Gilbert la sperimentazione ebbe un notevole sviluppo; furono ideate e studiate particolari macchine per produrre elettrizzazione sempre più forte, tipica la sfera elettrostatica di O. von Guericke costruita intorno al 1650. Nel Settecento si assiste a una vera e propria esplosione dell'interesse degli scienziati per i fenomeni elettrici. L'elettrologia, si può ben dire, nasce in questo secolo, alla fine del quale si sono svolti anche i primi tentativi di sistemare teoricamente la massa ormai ingente dei risultati sperimentali secondo la linea matematico-quantitativa newtoniana, che tanto successo aveva conseguito nella meccanica. Così nella prima metà del secolo si raggiunsero importanti risultati, quali la distinzione tra corpo isolante e corpo conduttore, dovuta a G. T. Desaguliers che si giovò di alcuni lavori di S. Gray, e la scoperta dell'esistenza di due tipi di elettricità, vitrea e resinosa, dovuta a C. F. de Cisternay du Fay. Moltiplicando gli esperimenti si poté dimostrare che ogni corpo può essere elettrizzato, contrariamente a quanto si era creduto fino ad allora, e che non esistono un isolante perfetto e un conduttore perfetto. Nel 1745 P. van Musschenbroek realizzò il primo apparecchio per accumulare l'elettricità, la cosiddetta “bottiglia di Leyda”; l'intensità delle scariche che si ottenevano con tale strumento permise di effettuare esperimenti che ebbero vasta eco scientifica tanto che l'elettricità divenne argomento alla moda. Se ne parlava nei salotti, si organizzavano spettacoli sui fenomeni “elettrici”, e anche i medici seguivano attentamente questi strani fenomeni, fiduciosi in una loro utilizzazione terapeutica. In quest'epoca B. Franklin diede inizio alle ricerche intorno al cosiddetto “potere delle punte”, che lo indussero a supporre che l'elettricità fosse un elemento che per effetto dello strofinio veniva accumulato o sottratto ai corpi. Guidato dall'intuizione di una profonda analogia tra la scintilla e il fulmine, Franklin eseguì il 10 maggio 1752 la famosissima esperienza che doveva portare alla realizzazione del parafulmine. Tra le opere a carattere teorico apparse in questo periodo, particolare rilievo ha Dell'elettricismo artificiale e naturale libri due di G. B. Beccaria, pubblicata nel 1753, nella quale vengono approfonditi i concetti di conduttore (da Beccaria chiamato deferente) e di isolante; inoltre viene introdotto per la prima volta l'importante concetto di resistenza, analizzato e studiato più a fondo nel lavoro successivo: Elettricismo artificiale del 1772. Queste indagini sono state poi proseguite da H. Cavendish che diede inizio a sistematiche misurazioni di resistenza. Sulla scia degli studi di Franklin, R. Symmer e F. Aepino, pur con notevoli differenze tra loro, elaborarono una teoria secondo la quale l'elettricità era dovuta a due fluidi elettrici imponderabili, vere e proprie sostanze che si respingono o si attirano secondo che siano o meno dello stesso segno e che si muovono più facilmente in alcuni corpi che non in altri. Tale concezione rendeva conto con una certa completezza delle esperienze dell'epoca, ma essendo di tipo qualitativo, era ritenuta insoddisfacente da molti fisici che intendevano conseguire una dettagliata analisi quantitativa. C. A. Coulomb, prendendo spunto da alcuni lavori di Cavendish, condusse dal 1780 al 1789 una serie di osservazioni nell'intento di stabilire la forma matematica della forza elettrica, in ciò aiutato dai suoi precedenti studi sulla resistenza dei materiali che l'avevano condotto a costruirsi la famosa bilancia di torsione. Da questi esperimenti arrivò a concludere che le forze elettriche sono di tipo newtoniano, dipendono cioè dall'inverso del quadrato delle distanze fra i corpiccioli carichi. L'elettrologia sembra di colpo, anche se molto resta da fare, inserita nel magnifico apparato matematico che tanto prestigio ha conferito alla meccanica newtoniana e su questa strada proseguirono gli studi verso una crescente interpretazione matematica.

Cenni storici: il XIX secolo

S. Poisson nei primi decenni del sec. XIX estese all'elettricità e al magnetismo il concetto di potenziale, già introdotto in meccanica da Eulero, e matematicamente sviluppato nei lavori di P. S. Laplace; G. Green portò a compimento questo notevolissimo interesse analitico in un'opera del 1820 dal titolo Saggio sull'applicazione dell'analisi matematica alla teoria dell'elettricità e del magnetismo. Questo indirizzo prevalentemente matematico non interruppe, tuttavia, le ricerche dei fisici sperimentali. La scoperta più importante di questo periodo, che tante e così vaste ripercussioni ha avuto non solo su tutto l'insieme della fisica teorica ma anche e soprattutto sul mondo della tecnica e della produzione, è quella della corrente elettrica che ha avviato un periodo intenso di fruttuose ricerche che hanno portato in breve tempo alla fondazione dell'elettrodinamica e dell'elettrochimica. Ne sono iniziatori due scienziati italiani che hanno dato vita, in quegli anni, a un accesissimo e polemico dibattito: Luigi Galvani e Alessandro Volta. Il primo, professore di anatomia all'Università di Bologna, ebbe modo di osservare che i muscoli di una rana si contraevano quando venivano toccati con un conduttore in presenza di una macchina elettrostatica in funzione. Successive esperienze convinsero Galvani che anche l'elettricità atmosferica era in grado di sollecitare la rana e che la stessa rana era sede di elettricità, detta elettricità animale (vedi bioelettricità). Le ricerche di Galvani furono riprese da Volta che, dopo un iniziale atteggiamento favorevole nei confronti dell'elettricità animale, constatò, come già Galvani, che il fenomeno della contrazione risultava accentuato se l'arco metallico formato per provocarlo era costituito da due metalli diversi e finì per concludere (1795) che la fonte dell'elettricità non sta nell'organismo vivente bensì nel contatto dei due metalli. Attraverso successive sperimentazioni, Volta giunse ad amplificare l'effetto riscontrato costruendo un dispositivo produttore di elettricità divenuto noto come “pila di Volta” (1799), da lui chiamata “apparato elettromotore” o anche “apparato colonna”. Tale realizzazione diede un notevole impulso agli studi sugli effetti chimici e termici determinati dalla corrente elettrica. Si distinse in questo campo H. Davy, che dalla decomposizione della potassa e della soda ottenne per la prima volta sodio e potassio; Davy studiò inoltre il comportamento di conduttori a diverse temperature arrivando a concludere che “il potere conduttore dei metalli varia con la temperatura ed è più basso quasi nello stesso rapporto in cui la temperatura è più alta”. Queste ricerche furono poi proseguite da G. S. Ohm che pervenne alla legge che collega la corrente passante in un conduttore con la sezione e la lunghezza dello stesso, e definì con precisione il concetto di resistenza. Ormai l'elettricità stava divenendo uno dei capitoli più importanti della fisica e della chimica. Si hanno moltissimi risultati di notevole interesse, tra i quali: la scoperta dell'effetto termoelettrico, dovuta a T. J. Seebeck nel 1821, che permise la costruzione di un altro generatore di corrente (altri generatori verranno ideati da J. F. Daniell nel 1836, da W. R. Grove nel 1839, da G. Leclanché nel 1867, da J. L. Clark nel 1878, da E. Weston nel 1893); la scoperta dell'effetto Joule; lo sviluppo delle misurazioni elettriche; lo studio approfondito dell'elettrolisi. Ma i risultati più straordinari dell'epoca riguardano la scoperta della profonda relazione esistente fra elettricità e magnetismo, e la conseguente rilevazione di forze di tipo non newtoniane. D'allora in avanti lo sviluppo dell'elettricità si è identificato con lo sviluppo dell'elettromagnetismo.

Fisica: generalità

Nell'ambito della sistemazione matematica dei fenomeni elettrici, risulta fondamentale l'introduzione dei concetti di campo elettrico, campo elettrostatico e campo elettromotore.

Fisica: campo elettrico

Zona di spazio in cui, immergendo una carica elettricaq, questa risulta soggetta a una forzaF. A ogni punto del campo si fa corrispondere un vettoreE, detto intensità del campo elettrico, che rappresenta la forza che agisce sull'unità di carica positiva posta in quel punto e si misura in N/C, se le forze sono misurate in newton e le cariche in coulomb: E = F/q. Più frequentemente, tuttavia, si usa l'unità di misura equivalente volt al metro (V/m) o i suoi multipli. Si chiamano linee di forza le linee aventi la proprietà di essere in ogni punto tangenti alla direzione della forza; a esse si attribuisce un verso coincidente con quello delle cariche positive in moto sotto l'azione del campo. Si conviene inoltre di rappresentarle tanto più fitte quanto maggiore è l'intensità del campo (criterio di Faraday). Un campo elettrico si dice uniforme quando la sua intensità E è ovunque costante. La descrizione matematica dei campi elettrici viene fatta con il formalismo dei campi vettoriali.

Fisica: campo elettrostatico

Detto anche campo coulombiano, è un campo elettrico generato da cariche statiche. L'intensità del campo generato da una carica puntiforme Q si ricava dalla legge di Coulomb: è direttamente proporzionale alla carica Q e inversamente proporzionale al quadrato della distanza r di Q dal punto P considerato; è diretto secondo la congiungente QP; il campo è attrattivo o repulsivo secondo che Q sia negativa o positiva: in cui ε è la costante dielettrica del mezzo considerato. Espressioni di E più complesse si hanno quando il campo è generato da più cariche puntiformi, oppure da cariche ripartite su linee, su superfici o entro volumi; non è tuttavia difficile pervenire a tali espressioni, perché l'intensità del campo generato da cariche qualsiasi, comunque disposte, è il risultante vettoriale dell'intensità del campo generato da ogni singola carica (principio di additività). Il campo elettrostatico è legato al concetto di potenziale, cioè al lavoro compiuto dalle forze del campo per spostare la carica unitaria fra due punti di esso: tale lavoro si può esprimere mediante la differenza tra i valori che una certa grandezza scalare, detta potenziale del campo, assume nei due punti; il potenziale non dipende, cioè, dal particolare cammino considerato, ma soltanto dalla posizione dei due punti; per tale proprietà il campo elettrostatico si dice posizionale o conservativo. Il potenziale elettrostatico è una grandezza scalare, variabile in generale da punto a punto, di espressione dipendente dal campo che si considera, e rappresenta il lavoro fatto dalle forze del campo per portare l'unità di carica elettrica positiva dal punto considerato all'infinito; ha le dimensioni del rapporto tra un lavoro e una carica elettrica e viene misurato in joule/coulomb, unità alla quale si dà il nome di volt. Il prodotto del potenziale di un punto del campo per il valore di una carica che si trovi in quel punto rappresenta l'energia potenziale elettrostatica della carica. La differenza di potenziale, o tensione elettrica, tra due punti A e B esprime il lavoro fatto dalle forze del campo per portare da A a B la carica unitaria. Se q è la carica spostata, si ha: L=q(V_A-V_B), in cui V_A e V_B rappresentano il potenziale in A e in B. L'insieme dei punti del campo in cui il potenziale assume uno stesso valore costituisce una superficie equipotenziale. Le forze del campo tendono a spostare le cariche in modo da diminuirne l'energia potenziale e l'intensità del campo è sempre diretta nel verso dei potenziali decrescenti. Il potenziale del campo generato da una carica puntiforme Q assume l'espressione , dove ε è la costante dielettrica del mezzo, r la distanza di Q dal punto considerato. Per campi generati da più cariche, si applica il principio di additività, per cui il potenziale in un punto è la somma dei potenziali dei campi generati da ogni singola carica. Nel caso dei campi uniformi, la relazione tra intensità del campo E e potenziale assume una forma molto semplice: se d è la distanza tra due punti A e B di un campo uniforme e V_A V_B sono i rispettivi potenziali, si ha che E∤d= =V_A-V_B. Da questa espressione si ricava un'importante proprietà dei campi elettrici di carattere generale:

cioè, se tra due punti di una certa regione dello spazio c'è una differenza di potenziale, esiste in quella regione un campo elettrico, mentre se il potenziale elettrico è costante in una regione di spazio, in quella regione non esiste campo elettrico. Un teorema fondamentale per lo studio del campo elettrostatico è il teorema di Gauss, che asserisce che il flusso del campo uscente da una superficie chiusa è uguale alla somma algebrica di tutte le cariche contenute all'interno della superficie divisa per la costante dielettrica del vuoto. Una conseguenza di questo teorema è, per esempio, che, in condizioni di equilibrio le cariche elettriche si dispongono sempre tutte sulla superficie esterna dei conduttori. Per descrivere completamente il campo elettrostatico quando vi sono fenomeni di induzione elettrostatica, si introduce il vettore di induzione dielettrica, D, che si misura in coulomb/m² ed è legato al vettore E dalla relazione D=εE, in cui ε è la costante dielettrica del mezzo. Il problema più generale dell'elettrostatica consiste nel calcolare il campo generato da una distribuzione nota di cariche elettriche situate in punti fissi dello spazio, in presenza di un certo numero di conduttori di forma e di dimensioni note, parte dei quali possono essere mantenuti a potenziali noti e parte possono essere isolati e possedere delle cariche totali determinate. Tale problema presenta di solito delle difficoltà matematiche notevoli ed è complicato dal fenomeno dell'induzione elettrostatica. Il teorema di Gauss, scritto in forma appropriata dal punto di vista analitico (cioè in forma differenziale), permette di determinarne la soluzione, tenendo conto del fatto che la superficie di ciascun conduttore è una superficie equipotenziale.

Fisica: campo elettromotore

Campo elettrico non conservativo prodotto da un generatore elettrico per ottenere il passaggio della corrente in un circuito elettrico; la sua natura dipende dal tipo di generatore (pila, macchina elettrostatica, dinamo, ecc.).

Geofisica

Sulla superficie terrestre e nell'atmosfera esistono cariche elettriche positive e negative che producono un campo elettrico. Il potenziale del campo si assume, per riferimento, uguale a zero sulla superficie della Terra, ma in realtà è variabile nel tempo e da luogo a luogo. La Terra non si comporta come un conduttore perfetto: nel suo interno, infatti, il campo non è nullo. Mentre nel nucleo circolano le correnti responsabili del campo magnetico terrestre, e nella zona del mantello si possono manifestare correnti prodotte da cause termoelettriche, nella zona più superficiale della crosta si generano potenziali spontanei direttamente misurabili. Questi sono determinati da vari fenomeni che si producono in terreni incoerenti in corrispondenza con particolari condizioni idrologiche e climatiche. Si possono distinguere potenziali elettrochimici, di elettrofiltrazione e di diffusione. I potenziali elettrochimici si producono in rapporto a concentrazioni di minerali conduttivi, in particolare per contrasto tra la parte affiorante e quindi ossidata del giacimento e la parte profonda: entro questi corpi mineralizzati ed entro le rocce che li contengono circolano allora correnti simili a quelle prodotte dalle pile elettriche. I potenziali di elettrofiltrazione si producono per filtrazione dell'acqua in strati permeabili o porosi; per esempio, nel caso d'infiltrazione di acque per gravità o per capillarità o evaporazione, in genere la discesa dà luogo in superficie a potenziali negativi e la salita a potenziali positivi: i potenziali spontanei di questo tipo sono, come quelli elettrochimici, dell'ordine di 1-2 V. I potenziali di diffusione hanno valore inferiore e si manifestano quando vengono a contatto elettroliti di diversa concentrazione, come avviene, per esempio, al contatto tra falde di acqua dolce e di acqua salata. Numerosi altri fenomeni influenzano il potenziale sulla superficie della Terra; tra questi i fenomeni meteorologici quali il riscaldamento differenziale del suolo, l'attrito del vento sul terreno, l'induzione delle cariche elettriche delle nubi. Di grande importanza sono i fenomeni connessi con l'attività solare, in particolare gli sciami di particelle elettricamente cariche che giungono sulla Terra. Tutte queste variazioni di potenziale danno origine a correnti elettriche, dette correnti telluriche, che, per la bassa resistività degli strati superficiali della litosfera, circolano su grandi estensioni con intensità e direzione irregolari; esse sono inoltre soggette a variazioni nel tempo secondo cicli diurni e annuali. Nell'atmosfera il potenziale elettrico varia, se il tempo è sereno, con una certa regolarità: in prossimità del suolo il gradiente elettrico verticale è di 100 V/m, valore che diminuisce con l'altezza, ma in maniera non proporzionale, dato che a 6 km è di soli 10 V/m. I fenomeni meteorologici causano però fortissime variazioni di potenziale e durante violenti temporali si possono avere differenze di potenziale di milioni di volt tra nube e nube o tra nube e terra con conseguenti violente scariche elettriche. La conducibilità cresce invece con l'altezza e negli strati superiori dell'atmosfera diventa elevatissima per la forte ionizzazione; si possono allora formare grandi correnti elettriche.

Bibliografia

Per la storia della scienza

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Per la geofisica

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