La Corrente nei gas

La conduzione elettrica nella materia

Fatto da: Castaldo Antonio, Fiscardi Ciro, Panico Angelo Jr, Russo Luigi, Di Nardo Vincenzo e Bianco Leonardo

Conduzione elettrica nei metalli

Velocità di deriva degli elettroni

Gli atomi nei metalli solidi formano una struttura cristallina tridimensionale, in cui gli atomi perdono uno o più elettroni, lasciando ioni positivi che sono tenuti insieme da una “colla” di elettroni liberi. Questi elettroni di conduzione si muovono casualmente all’interno del metallo, permettendo la conduzione elettrica. Quando un filo di metallo è collegato a una fonte di tensione, si crea un campo elettrico che spinge questi elettroni verso il polo positivo, creando moti che sono influenzati dalla forza elettrica e dagli urti con gli ioni.

La velocità media con cui gli elettroni di conduzione si spostano in direzione opposta al campo elettrico è detta velocità di deriva. Anche se il moto degli elettroni è casuale, sotto l’influenza di un campo elettrico, si crea un moto medio orientato che contribuisce alla corrente elettrica.

Effetto Joule

Relazione tra resistività e temperatura nei metalli

La spiegazione dell’effetto Joule si basa sull’accelerazione degli elettroni di conduzione sotto l’influenza del campo elettrico, seguita da frenate dovute agli urti con gli ioni del reticolo. L’energia persa dagli elettroni in questi urti viene trasferita agli ioni, riscaldando il metallo e causando una dissipazione di energia sotto forma di calore.

La resistività elettrica nei metalli tende a cambiare con la temperatura. Quando la temperatura aumenta, gli ioni del reticolo cristallino oscillano più intensamente, rendendo più probabili le collisioni con gli elettroni, e ciò causa un aumento della resistività.

Superconduttori

A basse temperature, alcuni metalli manifestano un comportamento particolare: 1. Nella maggior parte dei casi, la resistività diminuisce ma non raggiunge mai lo zero. 2. In alcuni metalli, come il mercurio, la resistività diventa zero a una certa temperatura critica, manifestando la superconduttività. La superconduttività è la proprietà di alcuni materiali di annullare la propria resistività sotto una temperatura critica, permettendo il flusso di corrente senza dissipazione di energia. I superconduttori sono impiegati in macchinari come quelli per la risonanza magnetica, dove sono richiesti campi magnetici intensi senza perdite di energia.

Estrazione di elettroni da un metallo e il potenziale di estrazione

Normalmente gli elettroni di conduzione non escono dai metalli. Nei metalli un elettrone è del tutto circondato da ioni positivi e la risultante delle forze attrattive esercitate su di esso da questi ultimi è nulla, mentre vicino alla superficie le forze degli ioni sugli elettroni non si equilibrano. Per estrarre l'elettrone è necessario spendere energia, cioè compiere un lavoro. Il lavoro che bisogna compiere è detto lavoro di estrazione ed è caratteristico del particolare metallo. Il lavoro di estrazione è l'opposto del lavoro compiuto dalla forza elettrica quando un elettrone attraversa da dentro a fuori la superficie del metallo. E il potenziale di estrazione di un elettrone da un metallo è dato dalla formula: Ve = We / e

Effetto termoionico

Un elettrone di conduzione, per sfuggire alla forza elettrica che lo trattiene in un metallo, deve avere un'energia cinetica almeno uguale al lavoro di estrazione. Un modo per fornire energia cinetica agli elettroni è scaldare il metallo. L'estrazione di elettroni da un metallo mediante riscaldamento è chiamato effetto termoionico. Si usa nei vecchi televisori a tubi catodico

Effetto fotoelettrico

Un altro modo per fornire energia agli elettroni è illuminare il metallo con luce visibile o ultravioletti. L'estrazione di elettroni ottenuta illuminando il metallo è chiamata effetto fotoelettrico. Si usa per i cancelli automatici.

Effetto Volta

Se due pezzi di metalli diversi vengono messi a contatto, tra di essi si stabilisce una differenza di potenziale, che dipende solo dalla specie dei metalli, Questo fenomeno è chiamato effetto volta, ad esempio: se appoggio una penna a sfera sulla manica della maglia, la penna non attira pezzetti di carta. Se invece strofino la penna sulla maglia, la penna attira la carta.

Effetto fotoelettrico

Effetto Peltier

In un circuito bimetallico la corrente può essere messa in circolazione da una differenza di temperatura. Questa proprietà prende il nome di effetto termoelettrico. Se le due giunzioni di un circuito bimetallico chiuso hanno temperature diverse, nel circuito si genera una piccola corrente. Si usa nei termometri a termocoppia

L'effetto termoelettrico ha un doppio senso: se un generatore di tensione mantiene in circolazione una corrente in un circuito bimetallico, una delle due giunzioni si raffredda e l'altra si riscalda. Questo effetto è chiamato effetto Peltier, si usa nei frigoriferi da campeggio e deumidificatori

La corrente elettrica nelle soluzioni elettrolitiche è il flusso di cariche elettriche dovuto al movimento di ioni in una soluzione. Quando un elettrolita si dissolve in acqua, si dissocia in ioni positivi (cationi) e negativi (anioni). Se si applica una differenza di potenziale, questi ioni si muovono verso gli elettrodi di carica opposta. Questo movimento di ioni genera una corrente elettrica nella soluzione.L’elettrolisi è un processo chimico in cui l’energia elettrica viene usata per provocare una reazione non spontanea in una soluzione elettrolitica o in un composto fuso. Applicando una corrente, gli ioni positivi migrano verso il catodo, dove acquistano elettroni e si riducono, mentre gli ioni negativi vanno verso l’anodo, dove cedono elettroni e si ossidano.

La corrente elettrica nelle soluzioni elettrolitiche e l'elettrolisi

Le leggi di Faraday spiegano l'induzione elettromagnetica, cioè come una variazione nel flusso del campo magnetico in un circuito generi una corrente elettrica. Sono utilizzate in: Generatori (per convertire energia meccanica in elettrica), Trasformatori (per modificare la tensione della corrente alternata), Motori elettrici e freni magnetici (per rallentare il movimento in dispositivi come i treni).

La seconda legge

La prima legge

La direzione della corrente indotta è tale da opporsi alla variazione del campo magnetico che l’ha generata, mantenendo il principio di conservazione dell'energia.Ed è data dalla formula: M = Q / eNA • M / z

Quando il flusso magnetico cambia, nel circuito si genera una forza elettromotrice (f.e.m.) pari alla variazione del flusso nel tempo. La formula è: M = M / zeNA • Q

Le leggi di Faraday

La pila

Alessandro Volta nel 1800 creò la pila, impilando molte coppie di dischi di zinco e di rame (da qui il nome), separate da dischi di una soluzione elettrolitica di acqua e acido solforico. Senza la soluzione elettrolitica la pila di Volta non funzionerebbe poiché per la legge dei contatti successivi, una pila di soli metalli produrrebbe la stessa differenza di potenziale del contatto diretto tra il primo e l’ultimo metallo e sarebbe quindi incapace di trattenere corrente. La pila zinco-carbone, evoluzione di quella di Volta, è invece una “pila a secco”. Dall’interno all’esterno, le parti essenziali della pila zinco-carbone sono un bastoncino di grafite circondato da uno strato di diossido di manganese. Si definisce capacità di una pila la carica elettrica totale che la pila fa transitare da un polo all’altro prima di smettere di funzionare. A differenza della pila a secco la batteria a ioni di litio è un accumulatore elettrico, cioè un generatore ricaricabile. Il litio ha un atomo di massa molto piccola per cui, a parità di prestazioni, è molto più leggera di altri accumulatori.

L’aria e tutti i gas diventano conduttori se un agente esterno strappa ad alcune molecole uno o più elettroni, lasciandole cariche positivamente. un gas ionizzato contiene molecole ionizzate positivamente, elettroni liberi e molecole ionizzate negativamente, che si formano per la cattura di elettroni liberi da parte di molecole neutre. Per studiare un passaggio di corrente attraverso un gas, si racchiude il gas in un tubo trasparente che contenga alle estremità due elettrodi metallici, mantenuti da un generatore alla differenza di potenziale voluta. Qualunque sia la pressione del gas, si osserva che l’intensità di corrente non è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale e che la relazione tra queste due grandezze è diversa da caso a caso. ciò significa che per i gas non vale la prima legge di Ohm.

La corrente elettrica nei gas

Le scariche elettriche

I raggi catodici

In un tubo che ha come catodo una piastra metallica posta a un’estremità e, come anodo, un cilindro metallico vicino all’altra estremità. Dei due elettrodi, il catodo è quello collegato al polo negativo del generatore e l’anodo è quello collegato al polo negativo. Per la sua forma e la sua collocazione, l’anodo lascia passare le particelle che viaggiano lungo l’asse del tubo. Se nel tubo la pressione dell’aria è dell’ordine di 10-1 Pa o 10-2 Pa (da un milione a dieci milioni di volte minore della pressione atmosferica), sulla parete di vetro opposta all'estremità in cui si trova il catodo appare una macchia fluorescente. il bagliore scompare non appena il generatore di tensione viene spento.