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La pila di Volta
Ricordiamo che nel Sistema Internazionale di misura la carica elettrica non è una grandezza fondamentale, mentre lo è la corrente elettrica. L'unità di misura della corrente è l'ampere (simbolo A) che è definito in modo indipendente dalle altre unità di misura. La definizione attuale di ampere fa riferimento al fenomeno per cui due fili percorsi da corrente si attirano o si respingono a seconda che le correnti siano concordi o discordi:
Come vedremo, l'attrazione/repulsione tra correnti dipende dai campi magnetici creati dalla corrente.
Come mai è la corrente elettrica ad essere una grandezza fondamentale del Sistema Internazionale di misura, e non la carica, come sembrerebbe più logico? Le ragioni sono essenzialmente storiche: l'umanità ha conosciuto la corrente elettrica prima delle cariche, anzi il concetto di carica intesa come particella è abbastanza recente: l'anno di nascita ufficiale dell'elettrone è il 1897.
La prima esperienza di corrente è stata sicuramente quella della scarica dei fulmini: oggi sappiamo che questa corrente è costituita da una grande quantità di carica elettrica che, sotto forma di atomi ionizzati positivamente e negativamente, si trasferisce dalle nuvole a terra e da terra alle nuvole o anche tra nuvola e nuvola. Anche il nostro sistema nervoso e muscolare funziona grazie a correnti microscopiche all'interno del nostro corpo.
Ma la data di nascita della corrente artificiale è il 1800, anno in cui Alessandro Volta ha inventato la pila elettrica che permetteva di stabilire una differenza di potenziale tra i suoi estremi (poli della pila).
La pila a colonna consiste in una serie di coppie di dischi di zinco (Zn) e di rame (Cu) separate da un disco di panno inumidito con acqua e acido solforico.. Le due estremità della pila si dicono poli: tra di essi si stabilisce una differenza di potenziale detta anche forza elettromotrice della pila.
Con l'invenzione della pila è stato possibile eseguire esperienze di elettrolisi, cioè di passaggio di corrente in soluzioni di acqua più composti ionici (basi, acidi e sali). Nell'acqua, che ha una elevata costante dielettrica, le molecole dei composti ionici si separano in ioni positivi e negativi. Se due elettrodi conduttori sono immersi nella soluzione e poi collegati adi poli di una pila della pila si crea un campo elettrico che trascina gli ioni in direzioni opposte. Gli ioni positivi sono trascinati verso l'elettrodo collegato al polo positiv (anodo), quelli negativi verso l'elettrodo collegato al polo negativo (catodo). Gli ioni costituiscono una doppia corrente di cariche positive e negative. Nei fili conduttori, invece, la corrente è costituita dai soli elettroni.
La prima definizione di ampere si fondava su un particolare processo di elettrolisi in acqua e sale di argento: l'unità di misura della corrente era determinata da una certa quantità di argento che si depositava ad uno degli elettrodi in un determinato intervallo di tempo.
Se la pila è collegata ad un circuito conduttore metallico chiuso, il campo elettrico creato all'interno del filo (dal polo positivo a quello negativo) trascina gli elettroni verso il polo positivo.
L'utilizzo su larga scala della corrente e dell'energia elettrica, a partire dalla seconda metà del XIX secolo (II rivoluzione industriale), si ebbe dopo la scoperta della possibilità di produrre corrente per mezzo del magnetismo.
- Un atomo in moto nel vuoto
- Ioni positivi o negativi nella scarica di un fulmine
- Ioni positivi o negativi in una soluzione salina
- Elettroni nel tubo catodico di un televisore
- Un elettrone di un atomo di un mezzo isolante
- Un flusso di molecole d'acqua in un fiume
- Gli elettroni di conduzione in un metallo
Un atomo che si muove non è un portatore di carica perché trasporta nella stessa direzione una carica nel complesso nulla, mentre gli ioni sono portatori di carica positivi e negativi, sia che si muovano in un mezzo gassoso, sia in uno liquido. Sia gli ioni positivi che si muovono verso potenziali più bassi, sia quelli negativi che si muovono verso potenziali più alti contribuiscono alla corrente. Sia nella scarica di un fulmine, sia nella corrente nei liquidi i portatori di carica sono quindi ioni positivi e negativi. Il tubo catodico di un televisore è un tubo a vuoto alla estremità del quale un cannone elettronico costituito da un filamento incandescente che emette elettroni (effetto termoelettronico) che sono successivamente accelerati da campi elettrici creati da condensatori. Gli elettroni sono pertanto portatori di carica negativa. Gli elettroni degli atomi di un isolante hanno un movimento limitato intorno al nucleo e pertanto non trasportano carica attraverso il mezzo. Una corrente d'acqua è costituita da molecole neutre e pertanto non costituisce corrente elettrica.
Esaminiamo a parte il comportamento degli elettroni di conduzione nei metalli.
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