La corrente elettrica

Quando entriamo in una stanza buia, automaticamente, cerchiamo un interruttore. È talmente diffusa, oggigiorno, la corrente elettrica nelle case che non ci si riflette. E la stessa cosa si può dire per le strade pubbliche.

Ma non è stato sempre così.

Di tutti i miracoli fatti dall’elettricità, certo quello più popolare è stato la trasformazione della notte in giorno. Gli uomini si erano difesi dall’oscurità in cui piombavano ogni giorno dopo il tramonto con i falò degli accampamenti, con le torce, con le lampade a olio, con le candele; per circa mezzo milione di anni l’uomo ha potuto contare solo su luci artificiali fioche e tremolanti.

Con l’avvento dell’elettricità, le città e le case potevano finalmente essere liberate dal giogo delle fiamme libere, che non pochi incendi e vittime avevano provocato. E anche la criminalità, che approfittava delle strade buie, ebbe un grosso contraccolpo.

I nomi dei pionieri dello studio dell’elettricità sono stati immortalati nelle denominazioni delle unità di misura delle varie grandezze elettriche. Abbiamo già parlato del “coulomb”, l’unità della quantità di carica elettrica. Un’altra unità è il “faraday”: 96.500 coulomb sono pari a 1 faraday. Il nome di Faraday ritorna anche nel “farad”, l’unità di capacità elettrica. Poi c’è l’unità dell’intensità di corrente elettrica, che viene chiamata “ampere”, in onore del fisico francese Ampère. Un ampere è pari a 1 coulomb al secondo. L’unità della forza che fa circolare la corrente, detta forza elettromotrice, è il “volt”, in onore di Volta.

E sono stati “immortalati” anche dagli studenti di fisica e ingegneria, ogni qualvolta hanno (abbiamo) dovuto studiare le relative formule.

Ma quando si iniziò a sfruttare l’elettricità per l’illuminazione pubblica?

L’illuminazione elettrica iniziò (più o meno) nel 1814 con l’invenzione delle lampade ad arco, e successivamente il brevetto fu perfezionato e fu inventata la lampadina ad incandescenza.

L’illuminazione elettrica fu possibile grazie all’invenzione di Humphry Davy (lampade ad arco) e di Thomas Edison nel 1879 (lampade ad incandescenza). Le lampade ad arco non ebbero molto successo, mentre un impianto ad illuminazione ad incandescenza fu realizzato a New York ed altri a Torino e a Milano.

Per il Carnevale del 1882 fu illuminato il ridotto della Scala e, nel novembre dello stesso anno, i portici e i negozi del palazzo settentrionale di piazza del Duomo in occasione della loro inaugurazione. Fu un grande successo, ed in quei giorni il “Corriere della Sera” scrisse: “Dell’illuminazione non esageriamo punto dicendo che ha veramente meravigliato. Coloro che si propongono di applicare l’illuminazione elettrica su grande scala nella nostra città hanno vinto iersera una grande battaglia.”

Dopo l’invenzione della lampadina la società subì molti cambiamenti. Per esempio, si inventò un meccanismo che permetteva di illuminare le scale (Murat) che consisteva di avere una lampada ai piedi delle scale, alla quale era collegata una corda con un peso. Il ritardatario doveva solo tirare il peso e la lampada veniva alzata precedendolo sulle scale. Quando si arrivava in cima, lasciando il peso la lampada tornava in fondo.

Altro cambiamento fu l’invenzione delle macchine fotografiche e da ripresa, con tutte le applicazioni pratiche del caso. E il telefono.

I fenomeni che abbiamo visto in “L’elettricità statica“ sono detti fenomeni elettrostatici, cioè fenomeni in cui le cariche elettriche sono stazionarie nel tempo. Moltissimi fenomeni sono invece legati alle cariche elettriche in moto, primo fra tutti quello della corrente elettrica. Ma cos’è, e soprattutto come funziona la corrente elettrica?

Abbiamo già visto che è possibile caricare positivamente o negativamente un conduttore. Supponiamo di prendere due conduttori, uno caricato positivamente e uno negativamente e di collegarli con un filo elettrico. Si assisterà immediatamente al passaggio di elettroni dal conduttore caricato negativamente verso quello caricato positivamente. Questo flusso prende il nome di corrente elettrica.

Siccome uno dei primi a fare esperimenti con la corrente elettrica è stato Benjamin Franklin (guarda un po’!), che pensava che a muoversi fossero le cariche positive è stato deciso di considerare il moto delle cariche positive come verso della corrente elettrica.

Si dirà che il conduttore caricato positivamente ha in potenziale elettrico maggiore di quello caricato negativamente e per spiegarlo possiamo ricorrere all’esempio di due vasi comunicanti collegati da un tubo.

Se in uno dei due vasi il livello del liquido è più alto, si assisterà al passaggio dell’acqua dal serbatoio più pieno a quello più vuoto: allo stesso modo la corrente fluisce dal conduttore che ha il potenziale più alto verso quello che ha il potenziale più basso.

Il dislivello elettrico prende il nome di differenza di potenziale elettrico o tensione e si misura con un voltmetro, in genere integrato in un “tester” elettrico; maggiore sarà la differenza di tensione fra due conduttori carichi e più sarà intenso il flusso della corrente elettrica.

Su questo principio furono costruiti i primi generatori elettrici, che non sono altro che dei dispositivi che mantengono costante la differenza di potenziale esistente agli estremi di un filo conduttore in modo da mantenere costante il flusso di corrente elettrica.

Uno dei primi generatori elettrici fu inventato da Alessandro Volta: la famosa pila. Ricordo ancora il sorriso (interno) che feci all’università quando il professore mi chiese di descrivergli la pila. Non perché fosse semplice, ma perché mi permetteva di allargare il discorso.

La pila di Volta è costituita fondamentalmente da una colonna di più elementi sovrapposti ciascuno dei quali consiste in un disco di zinco sovrapposto ad uno di rame, uniti attraverso uno strato intermedio di feltro o cartone imbevuto in acqua salata o acidulata. Collegando gli estremi superiore ed inferiore della pila per mezzo di un conduttore elettrico si produce un circuito nel quale passa corrente continua.

L’invenzione venne annunciata in una lettera rivolta a Joseph Banks, presidente della Royal Society di Londra, il 20 marzo 1800; l’esperimento più importante venne effettuato nel 1801 di fronte a Napoleone Bonaparte, che in tale occasione insignì Volta di una medaglia d’oro e lo propose per un cospicuo premio in denaro.

Quindi possiamo dire che un circuito elettrico è un percorso chiuso in cui circola la corrente alimentata da un generatore. Il più semplice circuito elettrico è costituito da un generatore di corrente (pila), un filo metallico (conduttore), un interruttore e un utilizzatore (ad esempio una lampadina). Chiudendo l’interruttore all’interno del circuito passa corrente elettrica e la lampadina si accende.

Si capisce però che se una pila può essere sufficiente per alimentare una lampadina, non lo sarà per alimentare un “utilizzatore” più grande, come ad esempio una lavastoviglie o una smerigliatrice. Servirà una quantità di corrente maggiore.

Poiché un circuito elettrico può essere attraversato da poche o da molte cariche elettriche, occorreva caratterizzare questa nuova situazione introducendo un nuovo concetto, dandone un nome, una definizione e trattandosi di una grandezza anche l’unità di misura.

L’intensità di corrente è definibile come la quantità di carica elettrica che attraversa una sezione di un conduttore nell’unità di tempo; la sua unità di misura è l’ampere (A) e si misura con l’amperometro.

Quindi affinché all’interno di un conduttore ci sia movimento di cariche occorre che al suo interno esista una differenza di potenziale o tensione, vi sia un’intensità e vi sia poca resistenza. Perché questo?

La resistenza elettrica è una grandezza che misura la tendenza di un corpo ad opporsi al passaggio di una corrente elettrica, quando sottoposto ad una tensione, esattamente come un corpo trascinato a terra si oppone al trascinamento con l’attrito. Anche nel caso elettrico, l’opposizione dipende dal materiale con cui è realizzato il conduttore, dalle dimensioni e dalla temperatura.

Georg Simon Alfred Ohm (1789-1854), fisico tedesco, studiò la pila di Volta e utilizzando attrezzature di sua creazione, si accorse che esiste una proporzionalità diretta tra la differenza di potenziale (o tensione) applicata attraverso un conduttore e la corrente elettrica risultante.

La legge risultante dice che in un conduttore metallico l’intensità di corrente è direttamente proporzionale alla tensione applicata ai suoi capi e inversamente proporzionale alla resistenza del conduttore. Inoltre introdusse il concetto di “impedenza”, che è la forza di opposizione di un circuito al passaggio di una corrente elettrica alternata, o, più in generale, di una corrente variabile.

Già, perché, non ve l’ho ancora detto, ma esistono due tipi di corrente. Quella di cui abbiamo parlato finora viene chiamata “corrente continua” (CC o DC, dall’inglese: Direct Current), ed è un tipo di corrente elettrica caratterizzata da un flusso di intensità e direzione costante nel tempo.

Esiste poi la corrente alternata (CA o AC dall’inglese: Alternating Current), che è un tipo di corrente elettrica caratterizzata dal fatto di invertire la polarità elettrica continuativamente nel tempo. In sostanza, a differenza della corrente continua, in cui la polarità è fissa e il valore di corrente costante, nella corrente alternata il polo positivo diventa negativo e viceversa con un’alternanza (da cui il nome) che avviene con periodicità fissa.

Alle origini dell’impiego industriale dell’energia elettrica nel XIX secolo, fu utilizzata la corrente continua, che offriva il vantaggio di potere essere accumulata in batterie, ma con l’avvento della corrente alternata ad opera dello scienziato Nikola Tesla (1856-1943) il mondo fu rivoluzionato nuovamente. L’efficienza di questo nuovo tipo di corrente permise di diminuire drasticamente le perdite energetiche a grandi distanze grazie all’aumento della tensione elettrica che consentiva di trasmettere elevate potenze elettriche ad alta tensione e bassa corrente riducendo drasticamente le perdite per dissipazione sulla linea e quindi lo spessore del conduttore utilizzato per il trasporto, rispetto alla corrente continua di Edison.

La corrente alternata si diffuse grazie all’impiego del trasformatore, che consente di portare la differenza di potenziale (tensione elettrica) a livelli molto alti (alta tensione) e corrispondentemente la corrente a valori molto bassi mantenendo così inalterata la potenza per poi trasmetterla a grandi distanze e con piccole perdite, raggiungendo dunque notevoli economie di scala.

Inoltre, i motori elettrici in corrente alternata sono più affidabili ed efficienti di quelli in continua. Quasi tutti gli apparecchi utilizzatori elettronici di misure minori funzionano in corrente continua ma questa può essere ottenuta, dalla corrente alternata, mediante un semplice raddrizzatore. Per contro, dalla corrente continua è possibile ottenere corrente elettrica alternata, generata in opportuni parametri di frequenza, forma d’onda e tensione mediante dispositivi detti inverter.

L’elettricità ha agevolato moltissimo la nostra vita: basta vedere il numero di elettrodomestici, computer, telefonini che ci circondano; molti di questi sono innocui e utilizzano un basso voltaggio. Altri, allacciati direttamente alla rete elettrica sono pericolosissimi e possono provocare la morte se utilizzati senza le dovute accortezze.

Ma che succede se la corrente elettrica ci colpisce?

Intanto dobbiamo capire qual è il nostro rapporto di base con la corrente elettrica: strano ma vero, aldilà di quanto da me raccontato finora, noi la corrente elettrica la conosciamo da quando nasciamo.

Luigi Galvani (1737-1798) è stato un fisiologo, fisico e anatomista italiano.

Egli osservò che collegando con un arco di rame e zinco il muscolo di una rana scorticata e i suoi nervi, il muscolo si contraeva. Egli interpretò questi risultati come la presenza di un’elettricità intrinseca all’animale, che veniva “liberata” dal contatto con l’arco.

Questi risultati attirarono l’attenzione di Volta, che però ne diede una spiegazione diversa. Nacque così una famosa controversia, che divise per diversi anni la comunità scientifica. La realizzazione della pila da parte di Volta sembrò assegnare la vittoria a quest’ultimo.

Trent’anni, però, gli studi di Galvani vennero ripresi dopo e si potè dimostrare che sia Volta che Galvani avevano parzialmente torto e parzialmente ragione.

Galvani aveva correttamente attribuito le contrazioni muscolari ad uno stimolo elettrico, ma le aveva erroneamente attribuite a “elettricità animale”, mentre Volta aveva negato l’esistenza di questo tipo di elettricità ma aveva sbagliato nel sostenere che ogni effetto elettrofisiologico richieda due metalli diversi come sorgente di corrente.

Il corpo umano è per lo più composto di una soluzione salina conduttrice, e si può dire sia costituito da un insieme d’atomi che, quando perdono o acquistano elettroni, diventano ioni: questi si muovono in zone di minor concentrazione e sono soggetti al campo elettrico generato dall’insieme degli altri ioni.

I segnali elettrici d’ogni cellula del nostro corpo e quindi collegati all’attività biologica, controllano il funzionamento dei vari organi e sono trasmessi dai neuroni del sistema nervoso. In tutti i casi ogni singola cellula vivente presenta una differenza di potenziale fra lato esterno e lato interno della membrana plasmatica; può essere considerata, ed analizzata, come una macchina “elettro-chimica”, con una produzione di corrente veramente bassa.

Diciamo che non riusciremmo ad accendere neanche una lampadina. Però quella corrente è sufficiente per farci vivere, muovere, respirare e fare tutto quello che facciamo.

Dopo aver preso una scossa ci sono delle conseguenze.

La prima è una contrazione muscolare in base al voltaggio preso. Quando siamo vittime di fenomeni simili il nostro corpo riceve un voltaggio che causa contratture delle articolazioni fino a raggiungere la paralisi e, nei casi più gravi, l’arresto cardiaco. In secondo luogo possono crearsi ustioni.

Il valore della corrente elettrica dipende anche dalla resistenza che il corpo umano oppone. Questa diminuisce in presenza di ferite; aumentando la pressione del contatto e aumentando la superficie di contatto; con pelle umida o peggio bagnata dove una corrente di basso voltaggio riesce a far penetrare un notevole flusso di elettroni che poi diventa la causa degli eventuali danni. La resistenza aumenta, invece, in presenza di zone cutanee dallo spesso strato corneo come quelle callose.

Negli USA lo shock elettrico primario è associato ad una mortalità di circa 0,5 per 100.000 persone l’anno. Su 1.000 decessi 5.000 necessitano di un trattamento d’emergenza. In Italia le folgorazioni rappresentano circa il 4% degli infortuni mortali sul lavoro e sono tra il 3% e il 5% dei ricoveri per ustioni.

Ogni anno in Italia ci sono anche 23.000 casi di incidenti domestici dovuti alla corrente elettrica, anche solo per cambiare una lampadina o asciugarsi i capelli. Occhio, poiché la corrente c’è, ma non si vede!

 

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7 pensieri riguardo “La corrente elettrica

  1. Leggere questo post proprio oggi che in tutta la mia zona hanno staccato la corrente ha uno strano effetto…di sicuro senza corrente si capisce meglio chissà fosse stata la vita per milioni di anni!😬

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