Fenomeni elettrici

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Fenomeni elettrici
Elettricità, da electron, ambra in greco,
perché questa sostanza è in grado, se strofinata,
di attrarre piccoli oggetti leggeri.
Altre sostanze, come il polietilene, lebanite,
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 lambra.
ambra
ambra
ambra
vetro
vetro
vetro
Oggi diciamo che i corpi si caricano
positivamente (come il vetro) o negativamente
(come lambra).
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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
allinterno 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.
Lunità di misura della carica carica elettrica è
il Coulomb (C) La carica di un protone è pari a
Quella dellelettrone è della stessa grandezza ma
negativa
1 C è corrispondente quindi alla carica di circa
6 x 1018 protoni o elettroni.
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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
Allinterno di un materiale la costante
dielettrica del vuoto è sostituita dalla costante
dielettrica del materiale e, che è in generale
maggiore di e0.
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Campo elettrico
Il campo elettrico è 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 dellenergia potenziale elettrica di
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
lenergia potenziale e la carica elettrica
Unità di misura Volt
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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).
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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 allinterno della materia, si
  distinguono due tipi di materiali
• Gli isolanti o dielettrici in 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
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CORRENTE ELETTRICA
In un campo elettrico le cariche elettriche
presenti vengono accelerate. Se però non ci
troviamo nel vuoto ma allinterno 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
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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.
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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 allinterno ed allesterno
della membrana
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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. Lenergia
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
nellunità di tempo ed è quindi
Unità di misura Watt
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Potenziale bioelettrico
A partire dagli studi condotti sullelettricità
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 limpiego 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 linterno e lesterno 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.
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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 di fibrillazione ventricolare. Sua
conseguenza è larresto completo della
circolazione sanguigna e, nel caso in cui
laritmia si protragga, la morte quasi istantanea.
In questi casi è necessario luso 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.
Nellottanta per cento dei casi il defibrillatore
riesce a riportare alla normalità i ritmi
cardiaci.
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Pace-maker (segna passo)
In condizioni normali il ritmo cardiaco è
regolato dal nodo seno-atriale una piccola
formazione localizzata sulla parte superiore
dellatrio destro, vicino alla vena cava
superiore che funge da pace-maker
naturale. Quando, per unalterazione del nodo
seno-atriale o uninterruzione 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
lelettrocatetere 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.
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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 dellorgano del Corti
  (orecchio interno)
• lesioni permanenti del cervello
• morte per collasso cardio-respiratorio

Tali effetti dipendono dallintensità 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.