L’ELETTRICITA’ E I SUOI SEGRETI

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Ott 152017
 

L’elettricità è un fenomeno naturale descrivibile come un flusso di elettroni nella materia. Può essere considerata come una “forma di energia secondaria” (vedi Le Fonti e le Forme di Energia), in quanto ottenuta per trasformazione da altre “fonti primarie” quali sole, acqua, vento o altre.

In realtà l’elettricità, si manifesta anche in natura attraverso i fulmini, ma questi sono fenomeni estemporanei, non prevedibili, repentini e capaci di sviluppare una tale quantità di energia nell’unità di tempo, da non poter essere accumulata. Pur essendo una forma di energia infinita e pulita, i processi di trasformazione necessari per ottenere l’elettricità per la nostra società digitalizzata, sono complessi, costosi ed in molti casi inquinanti.

Ma cos’è realmente l’elettricità?

Per comprenderne il significato, dobbiamo scendere nel profondo della materia e capire come si comportano gli elementi che la compongono: gli atomi.

ATOMO, L’INDIVISIBILE

L’atomo è la più piccola parte della materia, non è visibile ad occhio nudo e il suo nome deriva dal greco e significa indivisibile. Ai tempi della dottrina greca, infatti, l’atomo era considerato la più piccola parte della materia e si supponeva fosse indivisibile, ma studi più recenti fecero comprendere agli scienziati che questo non era l’elemento più piccolo in natura e che in particolari condizioni lo si poteva anche dividere. Infatti, l’atomo, è costituito da particelle subatomiche (ossia più piccole di un atomo) chiamate protoni, neutroni ed elettroni. Protoni e neutroni costituiscono quello che viene definito il nucleo di un atomo, mentre in aree esterne chiamate orbitali, troviamo delle particelle chiamate elettroni.

Schemi di tutti i possibili orbitali

Approfondimento: gli orbitali, sono degli spazi tridimensionali dove è possibile trovare confinati gli elettroni. Infatti questi si spostano non lungo orbite ellittiche come si pensava, ma si allontanano e avvicinano al nucleo ad una velocità prossima alla velocità della luce, per cui è impossibile definire una loro posizione certa in un determinato istante, mentre è possibile individuare l’area (orbitale) nella quale è quasi certo questo si stia muovendo.

Gli elettroni rimangono legati al nucleo di un atomo perché rispondono ad un principio conosciuto come legge di Coulomb. Charles Augustin de Coulomb uno scienziato francese, infatti, dedusse che tra due corpi elettricamente carichi esiste una forza che è attrattiva nel caso in cui le loro cariche siano opposte o repulsiva nel caso in cui possiedano cariche uguali.

Questa differenza di carica spiega il perché gli elettroni rimangano legati al nucleo; infatti i protoni hanno carica positiva, mentre gli elettroni, esterni al nucleo, hanno carica negativa. I neutroni, come dice il loro nome, sono elettricamente neutri, ossia non hanno carica e si trovano nel nucleo legati ai protoni.

Cariche dello stesso segno si respingono

Cariche di segno opposto si attraggono

In condizioni normali, il numero dei protoni e quello degli elettroni è uguale per cui la carica elettrica di un atomo è neutra, ossia non ha carica elettrica.

Riprendendo dall’inizio, ossia da “un flusso di elettroni nella materia“, adesso può apparire più chiaro il significato di elettricità. In generale, gli atomi tendono a restare tali e in equilibrio, ma in alcuni casi, i legami tra gli elettroni e il nucleo sono meno forti. Questo condizione capita quando ci troviamo in un materiale detto conduttore.

I conduttori, ossia i materiali in grado di far passare l’elettricità in natura, sono i metalli e le soluzioni saline. Nei primi, gli elettroni sono liberi di passare da un atomo all’altro essendo gli unici elementi a potersi spostare, nelle seconde, invece, si spostano direttamente gli atomi che avendo acquisito o perso elettroni diventano delle entità elettricamente cariche che prendono il nome di ioni (positivi o negativi).

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UN MOTORE DA UN ATOMO

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Mag 042016
 

Motori che non consumano nulla? Motori che funzionano in eterno? Ancora non ci siamo, anche se la tecnologia sta compiendo enormi passi avanti in questa direzione.

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Johannes Roßnagel

Un team di ricercatori tedeschi guidato da Johannes Roßnagel, ha messo a punto un motore termico in grado di funzionare alimentato da un solo atomo. Risultato? Dal punto di vista dell’efficienza energetica, nullo, ma dal punto di vista delle prospettive per il futuro, apre la strada a incredibili scenari.

Immaginate di quanto si potrebbe ridurre le dimensioni di un motore riuscendo a produrre energia in un campo così miniaturizzato. Si potrebbe realizzare quanto già accaduto nel campo dell’elettronica con la miniaturizzazione dei micro processori dei computer.

Il team ha isolato un atomo di calcio e lo ha costretto a muoversi lungo una sola direzione. Ha poi applicato due differenti tecnologie per cambiare il suo stato termico. Un laser per raffreddarlo e un campo elettrico oscillante per riscaldarlo. Il risultato è stato quello di produrre un movimento avanti e indietro come quello di un pistone all’interno di un cilindro nel motore a scoppio di un’auto.

Atomico01

E’ stato in questo modo prodotto il primo motore termico della storia alimentato con un solo atomo. E’ un passo enorme nello studio delle nanotecnologie applicate al controllo e modificazione della materia a livello atomico.

L’efficienza energetica raggiunta è infinitesimale, pari allo 0,28% se confrontata a quella di un normale motore a scoppio, pari al 25-30%, in cui quindi un terzo dell’energia sviluppata dalla combustione del carburante diventa energia utile. Ma il vero successo, non è nella quantità di energia trasformata, ma nella capacità di ridurre a livelli atomici la costruzione di macchine e motori.

E’ evidente che non vedremo nel breve periodo macchine alimentate da questo tipo di motore perché le condizioni per farlo funzionare, ossia laser, aree a vuoto, specifici componenti elettronici, sono appannaggio per ora solo di grossi centri di ricerca e sviluppo e evidentemente molto costosi. Ma come dicevo, gli scenari aperti sono a dir poco fantascientifici. Si parla infatti di macchine nanoassemblatrici, ossia capaci di costruire qualsiasi cosa a partire dagli atomi circostanti.

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Da IBM le memorie atomiche

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Gen 172012
 

Alla IBM, i ricercatori sono riusciti a memorizzare un’informazione in appena 12 atomi magnetici. Se riflettiamo sul fatto che oggi i più moderni sistemi di storage riescono a memorizzare un singolo bit di memoria su oltre un milione di atomi, questo rende subito, l’idea della validità della scoperta, sia in termini di capacità di memoria, sia in termini di dimensioni.

La tecnologia di memorizzazione attuale, è sicuramente diventata più efficiente e più economica. Ma la miniaturizzazione dei componenti, rappresenta il vero limite agli ulteriori sviluppi. Gli scienziati della IBM, hanno affrontato questo problema dal basso, dalla struttura più piccola, l’atomo, cercando di trovare un approccio differente al problema che potesse consentire di superare i limiti attuali. Le future nanostrutture, che vengono costruite a partire da un atomo e che applicano una forma non convenzionale di magnetismo, denominata antiferromagnetismo, potrebbero consentire di memorizzare 100 volte più informazioni nello stesso spazio.

I dispositivi del futuro, basati su questa tecnologia, potrebbero portare a soluzioni più piccole, veloci e efficienti dal punto di vista energetico.

Andreas Heinrich, il responsabile di questo progetto, ha spiegato il senso di questo studio e l’approccio inverso nella risoluzione del problema di immagazzinamento delle informazioni. Ha detto infatti, “L’industria dei chip continuerà a perseguire la scalabilità incrementale nella tecnologia dei semiconduttori ma, man mano che i componenti continueranno a restringersi, la marcia proseguirà verso l’inevitabile punto di arrivo: l’atomo. Noi adottiamo l’approccio opposto e partiamo dall’unità più piccola, i singoli atomi, per costruire dispositivi di storage e di calcolo un atomo alla volta”.

I ricercatori hanno utilizzato un microscopio a effetto tunnel (STM) per progettare a livello atomico un raggruppamento di dodici atomi accoppiati in modo antiferromagnetico. Questi hanno memorizzato un bit di dati per ore a basse temperature. Ciò ha aumentato enormemente la densità di storage magnetico, senza alterare lo stato dei bit adiacenti.

Vedremo a cosa porterà questa nuova tecnologia.

FUKUSHIMA: siamo davvero in pericolo?

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Dic 162011
 
Articolo scritto dagli alunni della 3I/2011
Federico Di Gaetano, Carola Bartilotti, Bruno Bonnici, Claudia Nipitella

Prefazione a cura del prof. Betto

Ancora una volta un interessante articolo scritto da uno studente della Dante Alighieri. Gli alunni si sono cimentati con un argomento di attualità ricco di incognite e di stupore di fronte alla catastrofe in uno dei posti sulla Terra con il maggior sviluppo tecnologico. Questo ha fatto dubitare il mondo intero e si è presentato con una precisione cronometrica nel momento in cui in Italia si riavviava il programma nucleare bocciato dopo Chernobyl nell’87. Non sappiamo quale sarà lo sviluppo di questa vicenda e del nucleare nel mondo ma è divertente scoprire il taglio narrativo che i ragazzi hanno utilizzato per raccontare la vicenda. Buona lettura a tutti.


Il 24 maggio 2011 nei giorni seguenti al devastante maremoto che si è abbattuto sul Giappone nord-orientale la centrale nucleare di Fukushima, situata a pochi chilometri dalla omonima cittadina nella prefettura, appunto, di Fukushima, ha subito gravissimi danni. A causa di questi, nei suoi reattori 1, 2 e 3, è avvenuta la fusione dei nuclei.

Impianto di Fukushima

Il quarto, il quinto e il sesto reattore della centrale sono stati portati in pochi giorni dall’incidente allo “spegnimento stabile” (temperatura sul fondo dei recipienti di contenimento dei reattori inferiore a 100 gradi) mentre i primi tre hanno raggiunto lo stadio di “raffreddamento stabile” (funzionamento del sistema di raffreddamento a regime e senza aumento del livello dell’acqua accumulata e conseguente diminuzione continua della temperatura e della radioattività) il 20 luglio 2011. Secondo le previsioni, questi tre reattori saranno portati allo “spegnimento stabile” nel gennaio del 2012.

E l’Italia?

Detto questo, viene spontaneo chiedersi, dopo l’esperienza di Chernobyl se anche noi corriamo qualche pericolo. Tranquillizziamoci sugli effetti della «nube radioattiva», generata dall’esplosione della centrale di Fukushima, in Giappone. Non si tratta neppure di una vera nube, in realtà sono delle particelle di iodio e cesio disperse nell’atmosfera. Molti, però, nonostante tutti gli esperti siano d’accordo sull’assenza di pericoli, si sono fatti prendere dal panico cercando in farmacia kit antiradiazioni, quando non ce n’è davvero alcun bisogno. Ma andiamo con ordine.

Intanto questa famosa «nube» arriva o no?
Dovrebbe arrivare. Dal Giappone è passata alle coste della California, poi a quelle di New York e ora in Europa. Già in California la nube era innocua, figuriamoci in Europa. Noi, del resto, conviviamo sempre con un po’ di radioattività: tutti i giorni nel terreno e nell’acqua è presente più radioattività di quanta ne porterà la “nube” dall’Oriente. È esposto a molte più radiazioni chi prende un aereo o chi fa una Tac. Le radiazioni “giapponesi”, che viaggiano con i venti, si sono diluite nell’atmosfera. E hanno fatto un percorso lungo da Fukushima fino a noi. Almeno la metà del giro della terra. E quindi, è  assolutamente inutile comprare mascherine e contatori Geiger (strumenti di misurazione delle radiazioni) che, oltretutto, in questo caso non riescono nemmeno a percepire il livello di questa radioattività essendo così diluita nell’atmosfera.

  

E a Fukushima si devono difendere dalle radiazioni? Gli eroi che hanno lavorato intorno ai reattori certamente sì. Lì la radioattività raggiungeva 400 millisievert all’ora. Anche se, i giapponesi che sono stati nella zona dell’esplosione, si sono protetti così bene che probabilmente neanche loro avranno conseguenze sulla salute.

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