Elettricità, Tesla e la magia di un elettrone

01 Novembre, 2019
la lampadina si illumina grazie all'elettricità e quindi gli elettroni che passano nel suo filamento

Ovviamente la grecia

Prima ancora di andare al cuore di questo articolo parlando dell’elettricità, spero che non sia passato inosservato ai tuoi occhi il riferimento cinematografico contenuto nel titolo.

Da grande appassionato del film TRON non ho mancato di vedere anche il suo sequel molto più recente: TRON LEGACY.

Per chi di voi non fosse familiare con la trama, in estrema sintesi, il protagonista del film riesce ad entrare all’interno dei circuiti di un sistema informatico per scoprire che tutti i programmi da lui creati sono persone che vivono in quel mondo ed eseguono fisicamente le istruzioni che gli arrivano tramite altri programmi.

Il film, a dispetto della tematica così odierna ha i suoi anni e la cosa lo rende ancora più incredibile.

Concetti come formattazione e cancell… giusto giusto sto divagando.

Il gioco di parole nel titolo ruota attorno ad una parola: hai mai sentito il termine ELEKTRON? Effettivamente proviene da una lingua non più parlata su vasta scala (morta non ci riesco proprio a dirlo): sapresti dire quale? Il Greco antico.

Domanda un po’ più difficile: il termine ELEKTRON lo utilizziamo oggi per identificare cosa? Ti do un piccolo suggerimento: il suono della parola che utilizziamo oggi non è cambiato molto rispetto ad ELEKTRON. Ebbene: Elettricità

Pensa a quante volte nella giornata ti capita di utilizzare questo termine.

Ultima domanda e poi la smetto (forse): senza andare a vedere su Google, sai cosa significa in greco antico ELEKTRON? Significa… AMBRA.

Ambra ed elettricità

Proprio così: AMBRA. Esattamente come quella incastonata sul bastone di John Hammond in Jurassic Park.

 

Mumble

“Scusa Davide ma sembra un controsenso. Cosa diamine ha a che fare l’ambra con l’elettricità?”

Come quasi sempre accade nelle grandi scoperte scientifiche il caso ha avuto un grande ruolo in tutto questo: i greci difatti notarono che strofinando con un panno una bacchetta di ambra questa era poi in grado di attrarre piccoli oggetti poco pesanti (come piume).

Ti è mai capitato da piccolo di strofinare la bic nel maglione e farle poi attrarre dei pezzettini di carta? Il principio è esattamente lo stesso.

U

AHA!

Con questo fenomeno scoperto diciamo per caso, l’elettricità ha iniziato il suo viaggio e ha preso il nome con cui la conosciamo oggi… Partendo dalla semplice AMBRA.

Inizia il viaggio

Immagina, esattamente come in TRON, di poterti immergere non in un sistema informatico ma dentro un pezzo di metallo, diciamo di rame.

Non appena entrato in questa sorta di Rame-landia vedresti una grande confusione. Mentre cerchi di capire cosa stia succedendo un tizio basso e mingherlino che corre velocissimo ti urta facendoti quasi cadere a terra. Ti giri infuriato per dirgliene 4 ma corre talmente veloce che è ormai lontano.

Neanche il tempo di ricomporti che un altro tizio ti dà una nuova sonora spallata, ti giri confuso ma già non si vede più.

Ma chi sono queste persone? Perchè mai tutta questa fretta? Se non si fa luce su questo mistero rischi seriamente di finire calpestato. Bisogna trovare una posizione sopraelevata. Aguzzi la vista e trovi una scala, quello che ci voleva.

Sulla cima della scala guardi in basso e ti rendi conto che tutta la città è pervasa da queste persone che corrono frenetiche da una parte all’altra, un caos incredibile.

Beh hai appena conosciuto il primo protagonista della nostra avventura: l’elettrone.

Erano loro che per ben due volte hanno rischiato di buttarti a terra.

Dall’alto riesci a vedere molto bene torme di elettroni che viaggiano da una parte all’altra ma da dove partono? Verso dove sono diretti?

Gli atomi

Seguendo con l’occhio un elettrone ti rendi conto che esce da una casa per entrare in un’altra. Ma dopo poco esce anche dalla seconda casa diretto verso una terza. Esce anche dalla terza dopo pochissimo e si dirige verso una quarta.

Ne osservi un altro e fa la stessa identica cosa.

Di chi sono queste case?

Bisogna salire ancora per arrivare sopra il livello dei tetti e così fai. Arrivato sopra lo skyline della città capisci tutto e fai la conoscenza dunque del secondo protagonista della nostra avventura: le case sono gli atomi.

A quel punto ricordi di aver letto un articolo che ti spiegava che ogni cosa è composta da atomi: hanno un nucleo centrale di neutroni e protoni (a carica rispettivamente neutra e positiva) attorno ai quali si muovono gli elettroni a carica negativa.

 

Mumble

“Ma Davide, perchè gli elettroni non rimangono nelle loro case (i loro atomi) girando invece da una all’altra come degli invasati?”

Beh è davvero un’ottima domanda ma ormai è parecchio che sei in Rame-landia, tempo di tornare indietro alla nostra realtà per qualche esperimento e trarre qualche conclusione.

OK, sei di nuovo nella nostra realtà e hai visto che gli elettroni si muovono come i matti da un atomo all’altro. Bene, dove eravamo rimasti? Ah già… perchè gli elettroni si comportano come degli esagitati?

U

AHA!

Perchè questa è una proprietà tipica dei metalli per cui gli elettroni più lontani dal nucleo hanno grande libertà di movimento ed è proprio questo che li rende buoni conduttori

Non tutti i materiali sono così ovviamente: gli atomi del legno ad esempio tengono i loro elettroni saldamente ancorati e non li lasciano uscire “di casa” così facilmente, motivo per cui il legno non è un conduttore.

Bene, i tempi sono maturi per qualche esperimento: riesci infatti a procurarti nella cantina, tra gli scatoloni di un vecchio trasloco e gli addobbi di natale, una bacchetta di ambra che si trovava nel kit del piccolo scienziato di quando eri bambino.

L’esperimento è servito, basta solo prendere un panno e quel tuo maglione di lana con l’albero di natale disegnato sopra che ti regalarono quando tu in realtà volevi la Play Station fa esattamente al caso nostro.

Strofini con energia la bacchetta di ambra con il vecchio maglione e poi avvicini la bacchetta ai tuoi capelli e… li attira.

Cosa sta succedendo? Precisamente quello che succedeva ai greci.

Come mai ai tuoi capelli piace così tanto la bacchetta di ambra che prima di essere strofinata era per loro totalmente indifferente? Cosa è cambiato?

“In realtà non è cambiato molto” risponderai nella tua mente, “ho semplicemente strofinato un po’ la bacchetta, tutto qui!”.

Strofinio

Ecco la tua risposta: lo strofinio. I greci non potevano certo viaggiare nelle cose come puoi fare tu ora e quindi non potevano conoscere gli elettroni e le loro doti di mobilità.

Decidi quindi di andare a fare un viaggio nella bacchetta per vedere cosa diamine sia successo e in un lampo eccoti in Ambra-landia.

Capisci subito che c’è qualcosa che non va perchè ti trovi a dover sgomitare tra gli elettroni per farti largo, ce ne sono moltissimi, troppi in effetti. Molti di più di quanto le case potrebbero contenerne, Decisamente qualcosa non quadra, sembra di stare sui mezzi pubblici nell’ora di punta.

Da dove cavolo sono sbucati tutti questi elettroni?

Mentre sei li che rifletti si accende la lampadina nel tuo cervello: “ Eh se..?”. Esci subito da Ambra-landia ed entri nel tuo maglione, Lana-landia ed ecco che la tua pensata trova conferma: il deserto.

Quanta carica

Lana-landia ora sembra una grande città il 15 Agosto alle 13:30… Molti suoi elettroni si sono spostati in Ambra-landia.

Mumble

“Ma se un atomo ha una carica complessiva nulla, vale a dire che ci sono tanti protoni a carica positiva quanti elettroni a carica negativa, non ci dovrebbe essere ora uno squilibrio di cariche negative in Ambra-landia?”

Assolutamente si. La bacchetta di ambra ora ha una carica complessiva negativa visto il numero maggiore di elettroni e di conseguenza il tuo maglione ha una carica complessiva positiva essendoci più protoni.

Quando hai avvicinato la bacchetta alla tua testa, la sua carica negativa ha spinto via gli elettroni nei tuoi capelli lasciandoli carichi positivamente e a quel punto l’attrazione tra loro è stata irresistibile. Nell’articolo sul funzionamento dei fulmini vedrai che la parte inferiore delle nubi temporalesche fa con il terreno sottostante esattamente la stessa cosa dell’ambra con i capelli.

U

AHA!

La serie triboelettrica (link in BIBLIO) è la classifica che ordina i materiali in base alla loro capacità, se strofinati, di strappare e mantenere elettroni in eccesso, caricandosi quindi negativamente (tipo l’ambra), oppure di lasciarli andare caricandosi positivamente (tipo la lana o il vetro)

Elettricità statica

Ecco quindi che strofinando riusciamo a strappare e portare a bordo della bacchetta di ambra degli elettroni periferici del maglione.

Lo stesso effetto lo si può avere anche con gli urti come abbiamo visto avvenire tra i chicchi di ghiaccio nel cuore di una nuvola temporalesca per la formazione di un fulmine

L’elettricità statica, così viene chiamata, la possiamo sperimentare nella vita di tutti i giorni strofinando materiali isolanti tra di loro. Devono essere materiali isolanti perchè per caricarsi è ovviamente necessario che trattengano su di se delle cariche. I conduttori le perderebbero subito,

Ti è mai capitato di scendere dalla macchina, toccare la maniglia della portiera e prendere la scossa? Immagino proprio di si e l’elettricità statica ne è alla base.

Quello che succede è che mentre sei alla guida, muovendoti strofini il cotone o la lana dei tuoi vestiti contro il sedile in tela o pelle (ovviamente tutti isolanti). Così facendo perdi elettroni che si depositano all’interno della macchina e lì rimangono. Appena esci, la tua mano positiva tocca la portiera che essendo di materiale metallico e quindi conduttore, trasferisce su di te i suoi elettroni con un sonoro ZAP riportandoti ad avere una carica neutra.

Tra la mano e la maniglia di una porta o di una finestra? Stessa cosa perchè camminando strofini i tuoi piedi su un tappeto magari, o su una moquette, o sei stato molto tempo seduto su una sedia in tela o pelle… La natura tenderà sempre a riportare tutto, te compreso, ad uno stato di equilibrio e quindi di carica neutra.

Quanto dipendiamo dall’elettricità

Ho una domanda per te e fidati, anche se sembrerà a primo impatto scontata, non lo è affatto. Prenditi un po’ di tempo per rispondere, pensaci bene. Pronto? Eccola: “Se tra esattamente 10 secondi il mondo smettesse di avere elettricità, cosa perderesti automaticamente?”

Quando ho provato a rispondere io stesso a questa domanda mi sono venute in mente poche cose effettivamente. Solo dopo aver guardato fuori dalla finestra ho veramente capito l’impatto di questa domanda.

Prova a fare un elenco, prenditi il tuo tempo.

Beh, hai appena capito quanto dipendenti siamo da questa fonte di energia e quanto sia per noi importante e scontata allo stesso tempo.

Non elencherò qui di seguito tutto quello che si perderebbe se sparisse l’elettricità ma faremmo un salto indietro di svariate centinaia di anni.

L’incontro del secolo: Tesla vs Edison

New York, 1874

Benvenuti Signori e Signore al Madison Square Garden di New York.

Questa sera, per voi, si scontreranno due grandi menti.

Nell’angolo di destra: americano, grande inventore ed imprenditore, padre della lampadina, propositore e sostenitore della corrente continua… Thomaaas Alvaaa Edisoooon

Nell’angolo di sinistra: Serbo, studioso, inventore ed innovatore sopraffino, propositore e sostenitore della corrente alternata e dominatore di elettroni, Nikolaaaa Teslaaaa.

In palio c’è molto più del denaro o della gloria: l’illuminazione del MONDO.

Cosa è la corrente?

Beh, lo so che vorresti sapere chi si è aggiudicato lo scontro del secolo ma prima di arrivarci dobbiamo dire un paio di cose sulla corrente e lo faremo con il solito stratagemma: vedendo con i tuoi occhi.

Dunque immagina un filo di rame, se entrassi al suo interno vedresti il solito caos di elettroni che passano da un atomo all’altro in maniera confusa.

Immagina di collegare ora un capo del filo al polo + di una comunissima batteria e l’altro al polo -. Preparati ora per entrare nel cavo e vedere cosa sia cambiato.

Appena entrato nel cavo ti accorgi subito della differenza: gli elettroni che prima si muovevano alla rinfusa da un atomo all’altro ora sono tutti in strada, uno vicino all’altro e procedono ordinati nella stessa direzione in fila indiana.

Ecco dunque cosa è la corrente elettrica: un flusso di elettroni ben ordinati che si muovono non alla rinfusa ma verso una direzione precisa, proprio come farebbe un fiume.

Edison: elettricità in corrente continua

Così te ne rimani li, a guardare gli elettroni che marciano tutti insieme all’unisono. Incredibile come si sia creato ordine dal caos.

Gli occhi si muovono a destra e sinistra per cercare di non perdere nulla del movimento di questo fiume immenso finchè non ti focalizzi sulla parte più esterna, lì dove gli elettroni toccano le pareti del cavo. Li vedi lamentarsi per lo sfregamento delle spalle contro le pareti del cavo e frenare la loro marcia per via di questo attrito.

Esci dal cavo per tornare alla nostra realtà, stacchi il filo dai poli della batteria e quando lo vai a toccare ti rendi conto di quanto sia caldo: l’attrito degli elettroni con il cavo lo ha riscaldato tantissimo.

La lampadina di Edison sfruttava proprio questo principio: facendo passare gli elettroni in un filo strettissimo l’attrito che se ne generava era talmente elevato che il filo si surriscaldava così tanto da illuminarsi e fare quindi luce.

Prendendo spunto dal modo in cui gli elettroni si muovono in una configurazione del genere si chiamò questa corrente: continua.

Tesla: elettricità in corrente alternata

Hai appena visto come si comporti la corrente continua all’interno di un cavo ma chissà se è la tipologia di corrente che ci arriva in casa?

Allora decidi di andare a fare un viaggetto nella presa che hai di fianco sul muro: un secondo di concentrazione ed eccoti all’interno della presa e… non credi ai tuoi occhi.

Gli elettroni si muovono in maniera stranissima: continuano ad essere tutti vicini in fila indiana ma ora non si muovono più all’unisono verso una sola direzione.

Tutta la colonna difatti fa un passo avanti ed uno indietro, un passo avanti ed uno indietro…

Ecco perchè si chiama alternata allora: il flusso si muove prima in un senso, poi si ferma, fa retromarcia, poi si ferma di nuovo e ritorna a muoversi in avanti.

Mumble

“Scusa Davide ma quante volte avverranno mai questi cambi di direzione?”

Ben 50 volte al secondo che, volendo utilizzare l’unità di misura per le ripetizioni di un ciclo in un secondo, diventeranno 50 Hz (Hertz) se sei in Europa, (60 Hz ad esempio in America).

U

AHA!

La corrente che in Europa ci arriva in casa cambia direzione 50 volte al secondo. Questo vuol dire che se osservassi una lampadina a rallentatore la vedresti spegnersi (quando gli elettroni si fermano) e riaccendersi (quando gli elettroni ripartono in avanti o indietro) 50 volte al secondo.

Chi ha vinto la “guerra delle correnti”?

Immagino a questo punto tu abbia già capito chi abbia prevalso e quale sia stata alla fine l’ide vincente: Nikola Tesla e la sua idea di utilizzare la corrente alternata per illuminare il mondo.

Mumble

“Scusa Davide ma la differenza tra corrente continua e alternata non sembra così grande. Perchè una dovrebbe essere meglio dell’altra?”

Parole sante e sappi che con l’esperimento di prima, collegando il cavo alla batteria hai avuto un assaggio del perchè l’alternata abbia vinto sulla continua.

Ricordi quanto si fosse surriscaldato il cavo? Si surriscalda a seguito dell’attrito tra gli elettroni e il cavo stesso frenandone quindi la marcia. Prova a sfregare le tue mani una contro l’altra e vedrai che si riscaldano per via dell’attrito, è proprio lo stesso concetto.

Tutta l’energia persa dagli elettroni per via dell’attrito si trasforma in calore che quindi si disperde. L’obiettivo quindi è minimizzare l’energia persa in calore.

La corrente continua con il suo flusso incessante di elettroni provoca grandi attriti, quindi molto calore, quindi molta energia persa ed infatti Edison riusciva a portare energia elettrica solo per qualche centinaia di metri dal luogo in cui veniva prodotta e se vogliamo illuminare il mondo l’energia elettrica va trasportata anche per centinaia di Km. Certo si potrebbe costruire dei cavi con una sezione maggiore così da consentire agli elettroni un passaggio più agevole ma questo vorrebbe dire sostenere molti più costi nella costruzione dei cavi che essendo più pesanti avrebbero bisogno di supporti più resistenti… ancora non una soluzione ottimale

U

AHA!

L’utilizzo della corrente alternata per trasportare l’elettricità ha vinto sulla corrente continua per:

  • Il suo vantaggio di costo
  • La maggiore efficienza nel trasporto
  • Le minori perdite di energia in calore per via degli attriti

Corrente alternata = elettricità efficiente

La corrente alternata invece, non essendo un moto continuo di elettroni ma semplicemente un moto avanti ed indietro, consente perdite molto minori di energia in calore durante il suo trasporto e di conseguenza può essere trasportata molto più lontano di quella continua.

La corrente alternata risulta quindi molto più efficiente, a dispetto della campagna di demonizzazione che ne fece Edison, ed è effettivamente il motivo per cui vinse la battaglia del secolo dando a noi oggi la possibilità di pensare all’elettricità come un qualcosa di assolutamente ovvio e scontato.

Il PC o lo smartphone sul quale stai leggendo questo articolo, le luci in casa, l’acqua corrente, l’acqua calda, il trasporto pubblico, tutta la tecnologia, ogni cosa che abbia una presa esiste oggi grazie a Nikola Tesla ed al suo brillante cervello.

Anche per questo articolo siamo giunti alla fine della nostra storia, spero di averti intrattenuto e di averti fatto scoprire qualcosa che ci passa sotto il naso costantemente e proprio per questo non viene molto notata.

Noi ci vediamo nel prossimo articolo dove scopriremo come l’elettricità viene prodotta a ci arriva in casa. Fino a quel momento tu però… RESTA CURIOSO.

Davide

BIBLIO

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