(E1) Il Fluido ElettricoSenza elettricità, le nostre case di notte sarebbero buie, la maggior parte del nostro trasporto fermo e i nostri computer inesistenti. Ma – cos'è l'elettricità? Una domanda non facile, e una risposta non semplice. Il miglior modo di iniziare è tornare indietro di due secoli – prima della radio, prima che ci si rendesse conto del legame tra l'elettricità e il magnetismo. Le persone a quei tempi credevano che l'elettricità fosse un fluido che scorreva attraverso dei conduttori metallici così come l'acqua scorre attraverso i tubi. 
Si tratta di una analogia incompleta. Essa trascura non solo le molte applicazioni del magnetismo dovute alle correnti elettriche, ma anche alle onde radio, ai processi chimici e all'elettronica. Eppure è un modo utile di visualizzare i più semplici usi quotidiani dell'elettricità, e sarà quella seguita qui sotto, per quanto possibile. Anche se non avete alcuna familiarità con l'elettricità, vi verrà data almeno una conoscenza pratica. Tutto ciò che serve è una capacità di lettura e una modesta quantità di pazienza. Acqua attraverso TubiIl fluido più familiare è l'acqua. L'acqua viene portata nelle nostre case da tubi, e il suo flusso può essere controllato aprendo e chiudendo i rubinetti. Quando un rubinetto viene aperto, la velocità F a cui l'acqua fuoriesce da esso – il numero di litri al secondo, o galloni al secondo – dipende dalla pressione P che sospinge il flusso. Di solito l'acqua proviene da una riserva idrica messa in qualche posto più in alto – un lago dietro una diga su un altopiano o una cisterna posta sulla sommità di un serbatoio idrico a torre, o sulla cima di una collina. La pressione è allora (idealmente) proporzionale alla differenza di altezza tra la riserva da cui ha origine l'acqua e il rubinetto da cui fuoriesce. (Scriviamo "idealmente" perché una volta che l'acqua inizia a scorrere, si crea anche una caduta di pressione lungo il tubo, a causa del flusso). Possiamo perció misurare la pressione a partire dalla differenza di altezza ("altezza di pressione") tra le due posizioni, riportata in metri o in piedi. La pressione dell'acqua (o di qualsiasi fluido ordinario) può anche essere misurata in "atmosfere", dove una atmosfera (circa uguale all'altezza di pressione di 10 metri) è la pressione avvertita al suolo (a livello del mare) a causa del peso dello strato di aria ("l'atmosfera") al di sopra di esso. Non ci accorgiamo di tale pressione, dal momento che è compensata dalla pressione dell'aria e del sangue nei nostri tessuti: ma se si pompa via l'aria da una sottile scatola metallica chiusa, tale pressione la schiaccerà di sicuro! Si possono usare anche le libbre per pollice quadrato (PSI, dall'inglese Pounds per Square Inch), e 1 atmosfera = 15,5 PSI all'incirca (la pressione dell'aria negli pneumatici d'auto viene misurata in PSI in eccesso rispetto alla pressione dell'amosfera circostante). Qui ci atterremo all'altezza di pressione misurata in metri.
Quanto è grande il flusso d'acqua F che fuoriesce da una tubazione d'acqua? Potremmo supporre che sia proporzionale alla pressione P (più precisamente, alla differenza di pressione P tra le sue estremità), e dipende anche dal diametro e dalla lunghezza del tubo, etc. Per lo meno, quella sarà la nostra analogia: la vera acqua che scorre nei tubi può avere un comportamento diverso. "Proporzionale" significa che esiste una relazione
in cui S è un numero che dipende dalla lunghezza del tubo, dall'area della sua sezione trasversale e dalla levigatezza delle sue pareti. Chiameremo S la conduttanza del tubo: Velocità del Flusso = Pressione × Conduttanza Ci aspettiamo che la conduttanza di un tubo largo sia maggiore di quella di un tubo stretto, e quella di un tubo corto sia maggiore di quella di uno lungo. Per continuare l'analogia con l'elettricità, diamo il nome di resistenza del tubo all'inverso della conduttanza R = 1/S Resistenza = 1 / Conduttanza Più piccola è la conduttanza, più grande è la resistenza, e il flusso F obbedirà alla F = P/R Velocità del Flusso = Pressione / Resistenza L'unità di resistenza del tubo (nella formula di cui sopra) sia qui chiamata "ohm" (per ragioni che vedremo più avanti): se P viene misurata in metri di altezza di pressione, ed R è in ohm, allora F è espressa in litri al secondo. (Se si usano altre unità – diciamo, galloni al secondo e PSI – allora o si usano unità differenti di R, o altrimenti l'equazione deve essere sempre moltiplicata per un fattore di conversione costante.) Di nuovo: le formule di cui sopra sono state sviluppate solo come analogia al flusso di elettricità. Il reale flusso d'acqua potrebbe non obbedire alla stretta proporzionalità. A proposito, si può anche affermare che per ogni litro di acqua che entra in casa, all'incirca un litro deve pure uscirne attraverso le fogne, così in un certo senso, esiste un circuito chiuso, come per il flusso di acqua di raffreddamento di una macchina. Per ricordare:
La Carica Elettrica – Coulomb e AmpereTutte queste caratteristiche (e altre) le ritroviamo pari pari nella rete di conduttori lungo la quale circola una corrente elettrica. Il fluido che scorre lungo di essi non è acqua ma carica elettrica – quel qualcosa che in una giornata secca fa aderire i tessuti sintetici, che fa funzionare le fotocopiatrici (ed anche le stampanti laser), e che attrae pezzetti di carta ad un pettine di plastica, dopo che questo è stato sfregato contro un panno asciutto o del pellame.L'elettricità statica può essere misurata, e giusto per completezza diciamo che la sua unità è chiamata coulomb, in onore di Charles Augustine Coulomb, un ingegnere militare francese del tardo '700 che inventò dei metodi semplici ma intelligenti ed efficaci per la misura della carica elettrica. La sua controparte per il flusso d'acqua sarebbe il litro. Come l'acqua può essere immagazzinata in barili, la carica elettrica può essere immagazzinata in dispositivi chiamati condensatori. L'acqua però è più facile da immagazzinare: i condensatori utilizzati nei dispositivi elettrici ritengono invece soltanto una piccola parte di un coulomb.
In linea di principio lo stesso effetto si vedrebbe se invece di rimuovere cariche negative, venissero depositate quelle positive. I primi ricercatori non avrebbero mai potuto dire cosa stava accadendo, ma ora sappiamo che gli elettroni negativi vengono rimossi più facilmente – tranne nella chimica delle soluzioni acquose, discussa più avanti.] Nelle nostre case, però, l'elettricità si trova generalmente sotto forma di fluido che scorre di continuo, e la carica che affluisce uguaglia la carica che defluisce di nuovo. Questo è il motivo per cui i circuiti usano sempre due fili – uno porta la corrente in casa, l'altro la riporta indietro. L'unità di corrente è chiamata Ampére, in onore di un altro scienziato francese (anche lui entrerà in scena più avanti). Una corrente di un ampére trasporta un coulomb al secondo attraverso ciascun punto del circuito. Essa è quindi simile al volume del flusso F in litri/sec, salvo che è abitualmente indicata dalla lettera I (o talvolta con la lettera minuscola i). Conduttori e IsolantiNon tutte le sostanze possono trasportare una corrente elettrica. I fili di rame lo fanno molto bene, l'argento ancora meglio, e la maggior parte dei metalli non sono molto da meno. Anche l'acqua è un "conduttore elettrico", specialmente quando vi sono disciolte sostanze come il sale, e tale è un gas molto caldo ("plasma") come quello all'interno di un tubo di luce fluorescente (dove quel gas è rarefatto e perciò non riscalda il vetro). Anche sostanze impregnate d'acqua possono trasportare elettricità, ad esempio il corpo umano, imbevuto di soluzioni acquose saline come il sangue. Questo è quello che rende possibile le scariche elettriche.La maggior parte degli altri materiali sono "isolanti" e non consentono il passaggio di correnti elettriche. Ceramica, vetro, gomma e la maggior parte delle plastiche, legno secco, carta secca e la normale aria sono tutti isolanti. Le correnti elettriche all'interno della casa sono trasportate da fili di rame racchiusi in un isolante di plastica, mentre le linee elettriche all'esterno sono sospese in aria tra isolatori in plastica o in vetro. Poiché l'aria è un isolante, le compagnie elettriche non si preoccupano delle perdite di tali linee. Da ricordare:
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