fisica

L'ELETTRICITA'

Il termine elettricità deriva dalla parola greca elektron (ἤλεκτρον) che significa ambra. L’ambra è una pietra dura che si origina dalla fossilizzazione della resina. Ma cosa ha a che fare l’elettricità con l’ambra? I primi studi dei fenomeni elettrici risalgono probabilmente al filosofo greco Talete (600 a.C.), che studiò le proprietà elettriche dell'ambra, la resina fossile che se viene sfregata attrae altri pezzetti di materia. I greci antichi compresero che l'ambra era in grado di attrarre oggetti leggeri, come le pagliuzze.

La corrente elettrica è un movimento continuo di cariche elettriche elementari, cioè un flusso ordinato di elettroni, che ha luogo all'interno di alcuni materiali. I materiali, proprio perché permettono agli elettroni liberi di spostarsi da un atomo ad un altro e alle cariche di distribuirsi lungo tutto il corpo e alla corrente di attraversarli, vengono definiti conduttori, per altro già trattati nel paragrafo 5.2. Altri materiali, attraverso i quali la corrente non riesce a passare perché gli elettroni si muovono con lentezza e di conseguenza le cariche tendono a rimanere localizzate dove sono state prodotte, vengono definiti isolanti.

CIRCUITI ELETTRICI

I componenti di un circuito elettrico sono:  il generatore di corrente, che può essere l'alternatore, la pila o l'accumulatore;  gli apparecchi utilizzatori, come la lampada, il frullatore elettrico, il ferro da stiro, cioè gli apparecchi che trasformano la corrente in altra forma di energia;  i fili conduttori, che collegano il generatore agli apparecchi utilizzatori e che trasportano la corrente elettrica;  gli interruttori, che interrompono oppure lasciano passare la corrente elettrica. Sono in genere una lamina di metallo posta ai due capi del circuito, che si solleva per interrompere il circuito, si abbassa per chiudere il circuito e far passare la corrente elettrica

Un circuito elettrico è un insieme di conduttori connessi tra loro e collegati ad almeno un generatore di tensione. - Se la catena dei conduttori non è interrotta, il circuito è chiuso e una corrente elettrica attraversa sia i conduttori sia il generatore. - Se la catena è interrotta, il circuito si dice aperto e in esso non c'è corrente. Il ruolo del generatore nel circuito è analogo a quello di una pompa, che spinge un liquido all'insù per mantenerlo in movimento. Un generatore di tensione continua produce tra i terminali (il polo positivo, a potenziale maggiore, e il polo negativo, a potenziale minore) una differenza di potenziale costante, ossia indipendente dal tempo

01. CIRCUITO IN SERIE

È il circuito in cui tutti gli elementi si posizionano sulla stessa linea. Viene utilizzato soprattutto nei dispositivi elettrici che funzionano a batterie come una torcia. Il cablaggio scorre continuamente dal terminale positivo della pila, attraversando la lampadina e l’interruttore fino al terminale negativo. Con questa impostazione tutti gli elementi fanno parte del circuito. Se dovessimo rimuovere uno di questi dispositivi oppure se si guastassero, la corrente cesserebbe di scorrere. Se le luci di casa nostra fossero collegate in questo modo, potremmo avere un solo interruttore generale che accende tutte le lampadine allo stesso tempo e ogni volta che una di queste si fulminasse bisognerebbe cambiarla per disporre di luce.

02. CIRCUITO IN PARALLELO

Si parla di collegamento in parallelo quando i componenti sono collegati ad una coppia di conduttori in modo che la tensione elettrica sia applicata a tutti quanti allo stesso modo. Nel caso del collegamento in parallelo le lampadine sono più luminose; infatti, ognuna fruisce di un'uguale differenza di potenziale.

Le resistenze in parallelo sono come le casse del supermercato. Se viene aperta una cassa in più,il flusso dei clienti in attesa scorre meglio. Allo stesso modo, ogni resistore aggiunto in parallelo offre un canale in più al passaggio della corrente elettrica e riduce, la resistenza equivalente del circuito. Nell'impianto elettrico di casa tutti gli utilizzatori (lampadine, televisori, elettrodomestici...) sono collegati in parallelo e quindi funzionano con la stessa differenza di potenziale, fornita dalle prese. In parallelo, i singoli utilizzatori sono indipendenti. Per esempio, la lavatrice può restare spenta mentre il televisore è acceso: se la connessione fosse in serie, spegnere la lavatrice significherebbe aptre il circuito e togliere la corrente al televisore.

un circuito elettrico che utilizza goccioline di metallo liquido come conduttori e garantisce flessibilità, resistenza e riciclabilità.

INNOVAZIONE, Perché avremo cellulari e pc eterni e indistruttibili

INFINITE POSSIBILITÀ. I dispositivi attualmente in commercio, come cellulari o pc, contengono cavi rigidi e saldati tra loro, che smettono di funzionare se si guastano o vengono tagliati. La rivoluzione dei circuiti flessibili sta proprio nella loro resistenza: anche se bucati o danneggiati, continuano a funzionare e a trasmettere energia elettrica. Tutto questo è possibile grazie all'utilizzo di minuscole gocce di metallo che passano all'interno di un elastomero (una sorta di "gomma") per essere isolate. «Per creare dei circuiti, colleghiamo le gocce di metallo tra loro», spiega Ravi Tutika, capo dello studio. «Possiamo poi decidere di separarle localmente per ricostruire nuovi circuiti, o addirittura dissolvere tutti i legami e ripartire da zero riciclando interamente i materiali».

a tecnologia degli smartphone più moderni unita alla resistenza dei cellulari più vecchi: non un'utopia, ma un traguardo possibile grazie all'invenzione di un circuito elettrico flessibile, resistente e riciclabile. Il team di ricercatori che ha condotto lo studio, i cui dettagli sono stati pubblicati su Communications Materials, si dice convinto che questa scoperta aprirà la strada a un nuovo tipo di dispositivi elettronici che saranno in grado di autoripararsi e riconfigurarsi, e potranno essere interamente riciclati alla fine della loro vita.

INDISTRUTTIBILI. I circuiti sono flessibili e continuano a funzionare anche se estremamente danneggiati: se vengono bucati, invece di perdere totalmente la connessione, come nel caso dei cavi elettrici tradizionali, le goccioline si uniscono attorno al buco formatosi e continuano a trasmettere energia. I circuiti possono anche allungarsi e continuare a funzionare: durante gli studi, il team è riuscito ad estendere il dispositivo fino a dieci volte la sua lunghezza originale. «È una scoperta entusiasmante», afferma Michael Bartlett, uno degli autori, «che ci proietta direttamente in un futuro di nuove tecnologie flessibili e sostenibili, più resistenti e rispettose dell'ambiente».

L'Università dell'Iowa (USA) ha ideato un sistema semplice ed economico per estrarre i metalli dai rifiuti elettronici. Ma prima di tutto dobbiamo riciclarli.

L'IMPORTANZA DEL RICICLO

UN METODO NUOVO. È in questo desolante quadro umanitario e ambientale che si inserisce uno studio pubblicato su Materials Horizons, nel quale viene presentata una nuova tecnologia di estrazione di metalli preziosi dai rifiuti elettronici. Tramite un processo di ossidazione controllato, che sfrutta la diversa reattività dei componenti, il sistema consente di separare i metalli che si trovano all'interno dei circuiti. Il procedimento pare essere economico e può essere condotto a temperature relativamente basse, comprese tra 270 e 370 °C.

Recuperare metalli da smartphone e altri dispositivi elettronici è un lavoro duro, complicato e con molte implicazioni etiche: l'e-waste è destinato ad aumentare, e si stima che nel 2030 potrebbe arrivare a 75 milioni di tonnellate annue globali. Il problema è amplificato dal fatto che nel mondo meno del 20% dei rifiuti elettronici viene riciclato: buona parte di ciò che non si ricicla finisce nelle discariche a cielo aperto dell'Africa o dell'Asia, dove gli abitanti si intossicano bruciando e sciogliendo nell'acido i circuiti dei nostri vecchi pc e smartphone per estrarne metalli preziosi.

AMMALARSI PER VIVERE La realtà di Agbogbloshie è finita molte volte sotto i riflettori dei media per le ricadute che la discarica ha sulle persone che contano su questa forma di sussistenza. Un articolo di recente pubblicato su Wired UK descrive gli effetti sulla salute dei burner boys, i ragazzi che bruciano montagne di plastica isolante per recuperare i preziosi cavi metallici e i circuiti al loro interno, o che spaccano con pietre e martelli i monitor touch screen dei vecchi dispositivi per ricavare rame, oro, acciaio, alluminio. I fumi neri della gomma incenerita impregnano giorno e notte l'aria di Agbogbloshie, causando in chi li respira dolori al petto e agli arti, disturbi allo stomaco e al fegato, malattie respiratorie e della pelle, problemi cardiovascolari, deficit del neurosviluppo, disturbi al sistema endocrino. E anche un elevato rischio di cancro. Aborti, morti neonatali e malattie congenite sono più frequenti nelle famiglie che abitano vicino alla discarica. Molti dei ragazzi emigrati ad Accra per lavorare nell'indotto dell'e-waste e spedire soldi a casa, si ammalano tanto gravemente da non fare più ritorno nei villaggi natali. Agli altri vengono offerti rimedi palliativi di medicina tradizionale.

RICICLARE PER SOPRAVVIVERE

Per quanto nuovi sistemi di purificazione dei metalli servano a rendere più semplice ed economico lo smaltimento dell'e-waste, il primo passo dobbiamo farlo noi, riciclando correttamente ciò che gettiamo e facendo così in modo che non finisca in luoghi infernali come quello di Agbogbloshie, in Ghana. Quanto sia importante riciclare ce lo ricorda questo 18 marzo la Giornata Mondiale del Riciclo, che quest'anno ha come tema "Gli eroi del riciclo", ovvero «persone, luoghi o attività che dimostrano l'importanza del recupero dei rifiuti». Noi siamo convinti che ognuno di noi possa e debba fare la sua parte, per rispettare non solo il Pianeta, ma anche le persone che ci vivono.

Circuiti innovativi ultraveloci ed efficienti grazie ai superconduttori

Si chiama Digital Superconducting Quantum Machines (DSQM) lo spinoff dell’Istituto nanoscienze (Nano) del Cnr, che svilupperà circuiti più veloci e più efficienti per le telecomunicazioni e per i supercomputer del futuro. Alla base della startup c’è una idea sviluppata all’interno gruppo di ricerca SQEL di Cnr Nano di Pisa.

La crescente necessità di comunicazioni più rapide, più sicure ed efficaci ha aperto nuove sfide e portato allo sviluppo di campi alla frontiera tra ricerca e innovazione come quello della computazione quantistica. Proprio in tale contesto DSQM intende portare una svolta, con l’obiettivo di sviluppare circuiti elettronici innovativi ultraveloci e a basso consumo energetico basati su materiali superconduttori. Claudio Puglia, CEO della startup, spiega: «La piattaforma tecnologica che stiamo sviluppando si candida ad essere un game-changer per la computazione classica e quantistica del futuro. I prodotti sviluppati da DSQM promettono prestazioni superiori fino a 100 volte rispetto alla tecnologia attuale in termini di velocità di trasmissione dati, potenza di calcolo ed efficienza energetica. Inoltre, saranno compatibili con i computer quantistici esistenti e con gli standard dell’industria tradizionale a semiconduttore». «La missione di DSQM è quella di dare vita ad una rivoluzione nei campi delle telecomunicazioni e dei supercomputer rendendo il mondo realmente interconnesso», conclude Puglia.

Alle tecnologie di DSQM sono legati diversi progetti di ricerca finanziati dalla Comunità Europea, che coinvolgono Cnr Nano: SUPERGATE un progetto FET con un budget di 3 milioni di euro, dedicato allo sviluppo della tecnologia di base (materiali, porte logiche per la computazione classica e interfaccia ad alta velocità), GENESIS finanziato con 150mila € per eseguire test per applicazioni in ambito telecomunicazioni sia da un punto di vista tecnico che di mercato; e SPECTRUM progetto finanziato con 2.5 milioni per sviluppo e test in ambiente industriale di dispositivo commutatore a radiofrequenza a supporto della computazione quantistica.

La startup nasce per dare forma a un progetto alla frontiera tra ricerca di base e innovazione, maturato all’interno del Laboratorio NEST di Cnr Nano e Scuola Normale Superiore, che ha partecipato a diverse business competition regionali e nazionali conseguendo ottimi risultati. Il cuore delle soluzioni di DSQM è una tecnologia innovativa basata su un fenomeno noto come ‘effetto di campo’ sui superconduttori, scoperto da ricercatori del Superconducting Quantum Electronics Lab (SQEL) di Cnr Nano, guidati da Francesco Giazotto. «Si tratta della possibilità di modificare la corrente elettrica che scorre in un superconduttore attraverso l’applicazione di un campo elettrico», spiega Giazotto. «Un effetto che intendiamo sfruttare in dispositivi di nuova concezione come transistor a effetto campo superconduttivi, in grado di garantire alte prestazioni e risparmio di energia e che possano essere azionati come se fossero basati su tecnologie a semiconduttore».

GRAZIE,

IL FUTURO INIZIA OGGI.

GIULIA BRUNCO MANUELA CAMMAROTAVITTORIA MASTANTUONI