L’atomo

La materia è tutto ciò che ha massa e occupa uno spazio. La materia, che costituisce qualsiasi corpo, è formata da aggregati di particelle tenute insieme da particolari forze di natura elettrica che prendono il nome di molecole. Le molecole sono ulteriormente divisibili in atomi, a loro volta composti da altre parti più piccole quali gli elettroni, i protoni ed i neutroni. Questi tre elementi stanno all’interno dell’atomo e più precisamente, protoni e neutroni compongono il nucleo, mentre gli elettroni gli orbitano attorno. Gli elettroni orbitano attorno al nucleo a distanze diverse (come i pianeti del sistema solare), la distanza di rotazione aumenta con l’aumentare del numero di elettroni. Questi elementi posseggono una carica elettrica che viene assunta come unità di carica elementare, gli elettroni hanno carica negativa, i protoni hanno carica positiva.

Gli Ioni

Gli elettroni che ruotano più lontani dal centro  risentono meno dell’attrazione verso il nucleo e se sollecitati potrebbero staccarsi dall’atomo divenendo degli elettroni liberi. Gli elettroni liberi vanno a completare le orbite di altri atomi facendo si che questi abbiano una prevalenza di elettroni nei confronti dei protoni. Gli atomi che hanno un numero diverso di elettroni e protoni si chiamano ioni, più precisamente, se è maggiore il numero di elettroni avremo uno ione negativo (maggiore carica negativa), se è maggiore il numero di protoni avremo uno ione positivo (maggiore carica positiva).

Cariche elettriche

Le cariche elettriche sono corpi costituiti da atomi che hanno ceduto o acquistato un certo numero di elettroni. Come già accennato in precedenza, gli atomi in natura sono neutri, cioè hanno lo stesso numero di elettroni e protoni, ne consegue che se un elemento è carico elettricamente esiste nello spazio un secondo elemento che possiede la stessa carica ma di segno opposto.  La carica di un elemento è data dalla somma algebrica delle singole cariche fondamentali e costituisce la quantità di carica (simbolo Q). Come tutte le grandezze fisiche, la quantità di carica ha un unità di misura che è il Coulomb (leggi coulomb, simbolo C), il Coulomb rappresenta la quantità di carica degli elettroni ed essendo questi a carica negativa ne consegue che anche il Coulomb è negativo, un valore di Coulomb positivo indica quindi una carica elettrica di protoni. Due elementi con carica elettrica opposta tendono a riequilibrarsi, cioè a ristabilire la neutralità tra elettroni e protoni, quindi possiamo certamente dire che due cariche di segno opposto si attraggono, mentre due cariche di segno uguale si respingono. La forza di attrazione o repulsione tra due cariche è direttamente proporzionale al prodotto delle quantità di carica fratto la distanza al quadrato delle cariche e dipende dalla natura del mezzo.

          Q1 * Q2

F = e * ———

              d²

F = forza in newton

e = costante dielettrica del mezzo (per il vuoto vale 8,854 * 10E-12 F/m)

Q1, Q2 = cariche elettriche in coulomb

d = distanza in metri

Corrente elettrica

Nei metalli o più in generale nei conduttori sono presenti uno o due elettroni per atomo nei livelli più esterni. Questi elettroni sono poco legati ai rispettivi atomi e pertanto sono dotati di una grande mobilità. Quando inseriamo un filo di materiale conduttore tra i poli di un generatore, ad esempio una pila, gli elettroni più esterni, carichi negativamente, si dirigono verso il polo positivo generando una grande quantità di cariche in movimento che prendono il nome di corrente elettrica. In realtà  gli elettroni non si spostano per tutto il tragitto, ma si urtano l’uno  l’altro scambiandosi l’energia. Per chiarire meglio le idee si immagini una fila di bocce allineate (che rappresentano gli elettroni), colpendo la prima boccia si nota istantaneamente uno spostamento della boccia al fondo della fila, questo perché le bocce di mezzo hanno solo ceduto l’energia del colpo senza immagazzinarne.

In particolare, si definisce intensità di corrente elettrica ( i ) il rapporto tra la quantità di carica elettrica ( Q ), che passa attraverso una sezione unitaria del circuito, e l’intervallo di tempo Δt in cui questo passaggio avviene: i = Q / Δt. L’unità di misura della corrente nel Sistema Internazionale è l’ampere (A) . Dal momento che la carica Q si misura in coulomb e il tempo in secondi avremo che 1 A = 1 C / 1 s. Per misurare l’intensita di corrente assorbita da un carico si usa un amperometro collegato in serie al circuito (vedi figura). 

La corrente elettrica costituisce una grandezza fisica di fondamentale importanza nella tecnologia legata all’elettronica e ha un grande numero di applicazioni, ad esempio nel trasporto di informazioni o di energia. Per convenzione il verso della corrente coincide con quello in cui si muovono le cariche positive, quindi dal polo positivo al polo negativo del generatore. Quindi il verso della corrente non coincide con il verso del moto degli elettroni. Se la corrente i in un circuito è costante nel tempo parleremo di corrente continua (in tal caso la corrente Q che attraversa una sezione del conduttore e l’intervallo di tempo Δt sono direttamente proporzionali), se invece la corrente elettrica varia nel tempo parleremo di corrente variabile. Da quanto detto sopra si evince che la  corrente elettrica non è altro che un flusso di cariche che tendono a ristabilire la differenza di potenziale tra due corpi elettricamente carichi. Se i due corpi, mano a mano che la corrente circola, diventano neutri, immediatamente la corrente cessa (in quanto non c’è più una forza di attrazione tra i due), ma se i due corpi continuano ad avere una carica elettrica diversa, allora avremo sempre la circolazione di corrente.