Le luci si accendono molto velocemente quando giro l’interruttore. Quanto velocemente scorre l’elettricità in un filo?
Novembre 2001
Per rispondere a questa domanda dobbiamo guardare alla materia stessa ad un livello molto elementare. La materia è composta da piccole unità chiamate atomi. A questo livello atomico la materia possiede due caratteristiche fondamentali. La materia ha una massa e può avere una carica elettrica, positiva, negativa o neutra, senza carica. Ogni atomo contiene tre tipi di particelle con caratteristiche diverse: protoni positivi, neutroni neutri ed elettroni negativi.
La corrente elettrica (elettricità) è un flusso o movimento di carica elettrica. L’elettricità che viene condotta attraverso i fili di rame della tua casa consiste in elettroni in movimento. I protoni e i neutroni degli atomi di rame non si muovono. La progressione effettiva dei singoli elettroni in una data direzione attraverso il filo è piuttosto lenta. Gli elettroni devono farsi strada attraverso i miliardi di atomi del filo e questo richiede molto tempo. Nel caso di un filo di rame da 12 gauge che trasporta 10 ampere di corrente (tipico del cablaggio domestico), i singoli elettroni si muovono solo circa 0,02 cm al secondo o 1,2 pollici al minuto (nella scienza questa è chiamata la velocità di deriva degli elettroni). Se questa è la situazione in natura, perché le luci si accendono così rapidamente? A questa velocità gli elettroni impiegherebbero ore per arrivare alle luci.
Gli atomi sono molto piccoli, meno di un miliardesimo di metro di diametro. Il filo è “pieno” di atomi e di elettroni liberi e gli elettroni si muovono tra gli atomi. In un tipico filo di rame ci sarebbero trilioni di elettroni che passano davanti a qualsiasi punto del filo ogni secondo, ma passano molto lentamente. Pensa al filo in confronto a un tubo pieno di biglie. Se spingiamo un’altra biglia in un tubo pieno, allora una biglia dovrebbe uscire dall’altra estremità. Gli elettroni sono così in un filo. Se uno si muove, devono muoversi tutti. Così, quando si accende un interruttore, una differenza di potenziale elettrico (creata da un generatore) causa immediatamente una forza che cerca di spostare gli elettroni. Se si fa muovere un elettrone quando si accende un interruttore, gli elettroni in tutto il filo si muovono, anche se il filo è lungo chilometri. Quindi, quando si accende un interruttore, gli elettroni nella luce cominciano a muoversi “istantaneamente” per quanto ci riguarda, cioè qualcosa comincia a succedere in tutto il sistema elettrico. Anche se gli elettroni si stanno effettivamente muovendo attraverso il filo lentamente, diciamo che la velocità dell’elettricità è vicina alla velocità della luce (estremamente veloce). Quello che intendiamo veramente è che gli effetti dell’elettricità si verificano “istantaneamente”. La luce si accende nell’istante in cui girate un interruttore. Non bisogna aspettare che gli elettroni fluiscano dall’interruttore alla luce.