Fenomeni elettrici

1. Elettricità, da «electron», ambra in greco, perché questa sostanza è in grado, se strofinata, di attrarre piccoli oggetti leggeri. Fenomeni elettrici Altre sostanze, come il polietilene, l’ebanite, il plexiglass ed il vetro, hanno la proprietà di elettrizzarsi per strofinio. Avvicinando materiali diversi caricati elettricamente ci si accorge che alcuni si attraggono e alcuni si respingono: ci sono due tipi di elettricità, quella caratteristica del vetro e quella caratteristica dei materiali resinosi come l’ambra. ambra ambra ambra vetro vetro vetro Oggi diciamo che i corpi si caricano positivamente (come il vetro) o negativamente (come l’ambra).

2. A livello microscopico diciamo che le cariche positive sono associate ai protoni presenti nei nuclei atomici mentre quelle negative sono associate agli elettroni che orbitano attorno ai nuclei. La materia ordinaria è neutra, cioè all’interno di ogni atomo sono in equilibrio cariche positive e negative. Per strofinio posso perdere elettroni, rimanendo carico positivamente, o acquistarne diventando carico negativamente. Atomi che hanno perduto o acquistato elettroni si dicono ionizzati. L’unità di misura della carica carica elettrica è il Coulomb (C) La carica di un protone è pari a Quella dell’elettrone è della stessa grandezza ma negativa 1 C è corrispondente quindi alla carica di circa 6 x 1018 protoni o elettroni.

3. FORZA ELETTRICA TRA DUE CARICHE PUNTIFORMI Legge di Coulomb: Tale forza è attrattiva tra cariche di segno opposto e repulsiva tra cariche di ugual segno. La costante che appare nella legge di Coulomb vale sperimentalmente mentre la costante dielettrica del vuoto vale All’interno di un materiale la costante dielettrica del vuoto è sostituita dalla costante dielettrica del materiale ε, che è in generale maggiore di ε0.

4. Campo elettrico Il campo elettricoè definito come rapporto tra la forza elettrica che sente una carica elettrica divisa per la carica stessa Come il campo gravitazionale anche quello elettrico risulta essere conservativo, cioè il suo lavoro non dipende dal percorso ma solo dalle posizioni iniziali e finali. Conseguentemente è possibile definire la variazione dell’energia potenziale elettricadi una carica, tra i punti A e B, come il lavoro (misurato in Joule) fatto dal campo elettrico per spostare una carica da A a B e il potenziale elettrico come rapporto tra l’energia potenziale e la carica elettrica Unità di misura: Volt

5. Linee di forza del campo elettrico Il campo radiale prodotto da una carica puntiforme), (a); il campo prodotto da una carica positiva ed una uguale carica negativa (b), il campo di una carica positiva uniformemente distribuita su una superficie piana (c), il campo prodotto da due superfici piane e parallele sulle quali è distribuita uniformemente la stessa carica avente però segno opposto (d).

6. ISOLANTI E CONDUTTORI • Ogni sostanza è costituita da atomi che contengono cariche sia positive • che negative. In condizioni ordinarie il materiale risulta globalmente neutro. • Se siamo all’interno della materia, si distinguono due tipi di materiali • Gli isolantio dielettriciin cui le cariche non sono libere di muoversi (ad es. vetro ed ambra) • I conduttori in cui almeno una parte delle cariche elettriche presenti possono muoversi (nei metalli gli elettroni dei livelli energetici esterni degli atomi del reticolo cristallino, nelle soluzioni elettrolitiche gli ioni sia positivi che negativi delle sostanze disciolte) Un corpo può essere elettrizzato per strofinio, per contatto (ponendolo a contatto con un altro corpo carico) o per induzione, cioè avvicinando un corpo carico che induce la separazione delle cariche elettriche di segno diverso già presenti nel corpo neutro. Separazione delle cariche + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - -+ + + + + - - - - - + + + + + - - - - - + + + + + Corpo carico Corpo neutro attrazione

7. CORRENTE ELETTRICA In un campo elettrico le cariche elettriche presenti vengono accelerate. Se però non ci troviamo nel vuoto ma all’interno di un materiale, le cariche elettriche (elettroni) subiscono anche continui urti con gli atomi del materiale e finiscono per muoversi con una velocità mediamente costante chiamata velocità di deriva, che in generale è molto piccola. Quello che si muove velocemente, alla velocità della luce, è il campo elettrico e quindi la propagazione del movimento a tutti gli elettroni che possono muoversi (elettroni di conduzione) Si definisce intensità di corrente elettrica che attraversa la sezione di un conduttore il rapporto tra la quantità di carica che attraversa il conduttore nel tempo ed il tempo stesso. Unità di misura: Ampère

8. Leggi di Ohm Nei metalli i portatori di carica, gli elettroni, si muovono seguendo le leggi di Ohm. La corrente elettrica che attraversa un conduttore risulta proporzionale alla differenza di potenziale ai capi del conduttore stesso . La costante di proporzionalità si chiama resistenza e si misura in Ohm . Tale resistenza è tanto maggiore quanto maggiore è la lunghezza L del conduttore e tanto minore quanto maggiore è la sua sezione S. Dipende inoltre dal materiale tramite la resistività che è caratteristica del materiale stesso.

9. Conduttori elettrolitici Nel caso dei conduttori elettrolitici i portatori di carica sono gli ioni dei Sali disciolti in soluzioni acquose. In questo caso la presenza dei portatori di carica dipende dalla concentrazione della soluzione e dal grado della dissociazione ionica del soluto Na + Cl - NaCl Contrariamente a quello che succede nei metalli il passaggio di corrente coinvolge il trasporto di materia in quanto si muovono interi atomi (ionizzati) Negli organismi viventi il trasporto di sostanze attraverso una membrana avviene anche utilizzando la differenza di potenziale elettrico che si forma grazie alle differenti concentrazioni di ioni all’interno ed all’esterno della membrana

10. Dissipazione termica (effetto Joule) La dissipazione termica in un conduttore percorso da corrente elettrica corrisponde al lavoro fatto dalle forze del campo per accelerare ripetutamente le particelle cariche. L’energia cinetica acquisita da queste si dissipa tramite urti e viene misurata a livello macroscopico come una quantità di calore prodotta dal passaggio di corrente (effetto Joule). La quantità di energia dissipata è proporzionale alla quantità di carica che attraversa il conduttore ed alla differenza di potenziale attraversata La potenza dissipata è pari al lavoro fatto nell’unità di tempo ed è quindi Unità di misura: Watt

11. Potenziale bioelettrico A partire dagli studi condotti sull’elettricità animale (1791) da Galvani, seguiti dalla scoperta della pila da parte di Volta, fu possibile stabilire la natura elettrica della funzione nervosa e misurare le correnti bioelettriche mediante l’impiego di galvanometri. Oggi si conoscono la natura dei potenziali bioelettrici ed i meccanismi di conduzione degli impulsi bioelettrici attraverso le fibre cellulari Il cuore risulta costituito da due tipi di fibrocellule muscolari: la maggior parte del tessuto miocardico ha solo funzione contrattile ma il tessuto specifico del miocardioè costituito da cellule che sono in grado sia di generare che di condurre impulso elettrici. La ritmica contrazione del muscolo cardiaco è prodotta da una differenza di potenziale elettrico presente tra l’interno e l’esterno della membrana della fibrocellula. Tale differenza di potenziale (pari a circa 90 mV) è prodotta da diverse concentrazioni di ioni Na+, Ca++, Cl-, ma in particolare di ioni potassio K+, ai due lati della membrana. Dopo una scarica è necessario un certo intervallo di tempo perché si ricrei la differenza di potenziale e questo da il ritmo al cuore.

12. Defibrillazione elettrica Nel caso in cui la normale successione di diastoli e sistoli ventricolari venga sostituita da una attività elettrica continua ed anarchica caratterizzata da oscillazioni irregolari si parla difibrillazione ventricolare. Sua conseguenza è l’arresto completo della circolazione sanguigna e, nel caso in cui l’aritmia si protragga, la morte quasi istantanea. In questi casi è necessario l’uso di un defibrillatore elettrico che, somministrando una scarica elettrica tramite due elettrodi applicati sul torace del paziente permette di depolarizzare rapidamente e simultaneamente le fibre cardiache. Nell’ottanta per cento dei casi il defibrillatore riesce a riportare alla normalità i ritmi cardiaci.

13. Pace-maker (segna passo) In condizioni normali il ritmo cardiaco è regolato dal nodo seno-atriale una piccola formazione localizzata sulla parte superiore dell’atrio destro, vicino alla vena cava superiore che funge da pace-maker naturale. Quando, per un’alterazione del nodo seno-atriale o un’interruzione nella rete di conduzione degli stimoli naturali, i ventricoli non sono in grado di assicurare la normale richiesta di sangue, si deve ricorrere agli elettrostimolatori (pace-maker) che producono una stimolazione cardiaca artificiale. Un pace-maker è generalmente costituito da un dispositivo elettronico di modeste dimensioni collegato ad un elettrocatetere. Attraverso una vena l’elettrocatetere viene introdotto nel cuore e fissato direttamente sul muscolo cardiaco. Il generatore, sistemato sotto la pelle, contiene una sorgente di energia che può essere una pila a ioduro di litio oppure una batteria radioisotopica (molto usate le pile al Plutonio 238). A partire dal 1958, anno della prima applicazione di un pace-maker i progressi raggiunti hanno reso disponibili elettrostimolatori adatti alle più diverse esigenze.

14. Effetti biologici delle correnti elettriche • Accanto agli effetti guidati e controllati delle correnti elettriche vi sono quelli nocivi che si producono quando il corpo ne viene percorso. • Tali effetti possono essere, in ordine di crescente gravità: • sensazione di dolore • ustioni • fibrillazione ventricolare • lesioni della retina e dell’organo del Corti (orecchio interno) • lesioni permanenti del cervello • morte per collasso cardio-respiratorio Tali effetti dipendono dall’intensità della corrente e dalla sua frequenza. Tali fattori sono influenzati dalla resistenza del corpo umano, dalla resistenza delle superfici di contatto, dallo stato bagnato delle superfici corporee esterne e dalla differenza di potenziale cui si è sottoposti. Anche la durata della corrente elettrica è importante. Alla frequenza di 50 Hz (frequenza di rete) una corrente di 1 mA non produce effetti significativi. Con correnti di 10 mA si hanno contrazioni muscolari e paralisi. Con 100 mA si provoca la fibrillazione ventricolare, durante la quale viene interrotto il trasporto di ossigeno al cervello che potrà subire danni permanenti se il processo dura oltre i due o tre minuti.