Home Ambasciatori della Festa di Scienza e Filosofia Tutta questione di trasfermimenti

Tutta questione di trasfermimenti

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Dal momento della sua scoperta, l’elettricità è sempre stata uno dei fulcri della vita dell’uomo, presente in tutti gli ambiti, ma ciò che caratterizza l’importanza di questo fenomeno è la capacità di “viaggiare”: cioè la possibilità di spostarsi dal luogo in cui viene generata al luogo in cui serve. Per esempio una lampadina per svolgere la sua funzione ha bisogno di un supporto elettrico che non deriva dalla lampadina stessa, ma da circuiti elettrici che permettono il passaggio dell’elettricità, attraverso i fili elettrici. Qual è il materiale però che mi permette di far passare elettricità? Può sembrare una domanda scontata, perché tutti sappiamo che la risposta è “metallo”, ma perché proprio i metalli? Perché i metalli godono di proprietà fisiche e chimiche che rendono possibile il fenomeno della “conducibilità elettrica”. In che consiste questo fenomeno? In un solido cristallino gli atomi sono organizzati in una struttura regolare, chiamata reticolo cristallino, all’interno della quale ciascuno di essi occupa una posizione di equilibrio attorno a cui oscilla a causa del moto termico. Nei metalli, in particolare, uno (o più elettroni), che nell’atomo isolato si disporrebbe nell’orbitale più esterno (elettroni di valenza), risulta quasi del tutto slegato dal proprio nucleo. In prima approssimazione, dunque, un metallo può essere immaginato come costituito da una struttura fissa e ordinata di ioni positivi all’interno della quale si agita una nube di elettroni liberi (elettroni di conduzione), in modo simile alle particelle di un gas racchiuso in un recipiente. Sia gli ioni del reticolo che gli elettroni di conduzione sono soggetti al moto di agitazione termica: gli ioni possono soltanto oscillare attorno alla propria posizione di equilibrio, gli elettroni di conduzione, invece, si muovono caoticamente in tutte le direzioni con velocità molto elevate. Quando al metallo viene applicato un campo elettrico, gli elettroni di conduzione subiscono un’accelerazione che ha verso opposto a quello del campo. Tale movimento ordinato, che si somma a quello disordinato di agitazione termica, consente alla nube elettronica di spostarsi globalmente, dando origine alla corrente elettrica (il cui verso è per convenzione opposto al verso di moto degli elettroni). Quindi la conducibilità dei metalli permette il trasferimento dell’elettricità, ma esistono anche altri tipi di trasferimento come quello termico, cioè il trasferimento di calore. Questo particolare tipo di trasferimento noi lo possiamo trovare anche in ambiti come quello culinario, poiché la lavorazione dei cibi può essere considerato un trasferimento di calore degli alimenti. Per trasferire il calore però esistono tre modalità: conduzione, convezione e irraggiamento. La “conduzione” avviene quando si è in presenza di un gradiente di temperatura in un mezzo stazionario, il quale può essere un solido oppure un fluido; la convezione invece avviene quando la trasmissione di calore si ha tra una superficie e un fluido in movimento, i quali si trovano a temperature differenti. Nei fluidi la propagazione del calore avviene con un meccanismo che prevede il trasporto delle molecole riscaldate dal basso verso l’alto e di quelle fredde dall’alto verso il basso, realizzando così il mescolamento del fluido che si riscalda. L’ultimo metodo è l’irraggiamento che avviene tra due superfici a differente temperatura, tramite emissione di energia sotto forma di onde elettromagnetiche; l’irraggiamento avviene anche senza la presenza di un mezzo interposto, ovvero con le due superfici in questione separate dal vuoto oppure dall’aria. Anche nello sport possiamo trovarci di fronte ad un trasferimento. Nello sci di discesa, gli atleti devono raggiungere due obiettivi: non toccare le bandierine durante la discesa e compiere il percorso in minor tempo possibile. Ma come gli atleti possono aumentare la loro velocità, facendo attenzione alle bandierine da schivare? Il principio è lo stesso di quello di un bambino sull’altalena: il bambino sull’altalena la può muovere in due modi: tramite spinte delle gambe sul terreno oppure facendo oscillare queste ultime in prossimità degli estremi dell’angolo di oscillazione. Alternativamente una seconda persona posta, generalmente, alle spalle del sedile può fornire la spinta necessaria. Prima di raggiungere l’angolo di regime (scelto in modo arbitrario da chi sta utilizzando l’altalena) la forza utilizzata compie lavoro che si trasforma in parte in energia (energia cinetica o energia potenziale gravitazionale a seconda dell’istante considerato) immagazzinata nel sistema altalena. Una volta raggiunto l’angolo di regime è sufficiente una piccola forza per compensare l’attrito dell’aria e dei sostegni rigidi. Cessando di applicare la forza, l’energia cinetica immagazzinata dal sistema si trasforma in calore disperdendosi nell’attrito con l’aria e con i sostegni. La persona che si trova dietro che spinge l’altalena applica un lavoro, perciò applica un trasferimento di energia sull’altalena, permettendo a quest’ultima uno spostamento. Dopo aver analizzato queste tre situazioni completamente differenti l’una dall’altra(la conducibilità dei materiali, la lavorazione dei cibi e lo scii di discesa) possiamo trovare una parola in comune a tutte tre: TRASFERIMENTO: la conducibilità permette un trasferimento di elettricità, la lavorazione dei cibi avviene grazie ad un trasferimento di calore e lo sciatore affronta la pista grazie ad un lavoro, che è un trasferimento di energia.