![]() |
fisica |
|
Per sua natura, un gas si comporta da isolante perfetto, non potendo condurre l'elettricità. Eppure un
semplice esperimento permette di dimostrare che
l'aria atmosferica conduce l'elettricità, anche se debolmente. Ogni elettroscopio
infatti, dopo essere stato caricato, si scarica con un processo lento, più
lento quanto maggiore è il raggio della sferetta collegata all'asta
portante le foglioline. Questa dispersione di elettricità si arresta
se l'elettroscopio è posto sotto la campana di una macchina pneumatica
dalla quale sia stata estratta l'aria, mentre viene accelerata se avviciniamo
una sostanza radioattiva, una sorgente di raggi X o una semplice fiamma.
Ciò
significa che l'aria diventa conduttrice in condizioni speciali e cioè
quando per una causa qualsiasi l'aria stessa risulti ionizzata: in tali condizioni una parte delle molecole che
compongono la massa gassosa non sono più elettricamente neutre, ma si
trovano in parte allo stato di ioni positivi (avendo perduto qualche elettrone)
e in parte invece allo stato di ioni
negativi (avendo acquisito qualche elettrone). La dispersione della carica di
un elettroscopio è dovuta al fatto che la sferetta collegata all'asta
attrae gli ioni di segno opposto che, venuti a contatto con l'elettroscopio, neutralizzano
gradualmente la sua carica. Avvicinando un agente ionizzante la scarica avviene
più velocemente perché si generano nell'aria nuovi ioni, oltre a quelli
che in condizioni normali sono prodotti dalla radiazione elettromagnetica e
dalle particelle cariche emesse dalle sostanze radioattive della crosta
terrestre e presenti anche nei raggi cosmici. L'effetto
ionizzante dei raggi cosmici diventa sempre più intenso con l'aumentare
dell'altitudine; a 100 km dal livello del mare, l'atmosfera presenta una
notevole ionizzazione (ionosfera),
importante per la proazione delle radiazioni elettromagnetiche. Agiscono in
particolare come cause ionizzanti
dei gas le alte temperature e le radiazioni di brevissima lunghezza d'onda,
quali i raggi X e, in misura assai minore, i raggi ultravioletti: inoltre si ha
una formazione spontanea di ioni nei fenomeni di evaporazione dei liquidi.
Per
osservare il fenomeno della scarica
elettrica, si racchiude il gas in un tubo trasparente, alle cui
estremità sono fissati due elettrodi
metallici. Essi sono collegati ad un circuito esterno da un generatore e da
una resistenza. Se aumentiamo la tensione fino ad un valore sufficientemente
elevato, fra i due elettrodi scocca una scintilla,
un tratto molto luminoso di colore bianco - azzurrognolo che unisce i due
elettrodi. Si tratta di una corrente elettrica molto intensa e di brevissima
durata, accomnata da fenomeni luminosi e da un rumore caratteristico. Se gli
elettrodi sono sufficientemente vicini, la scintilla ha una forma quasi rettilinea,
mentre per distanze maggiori il tratto di scintilla diventa a zig-zag,
per poi ramificarsi per distanze ancor più grandi. Se uno degli
elettrodi ha la forma di una punta, la scarica elettrica diventa persistente e
prende più precisamente il nome di effluvio.
Questa scintilla rende uguali i potenziali dei due elettrodi. La differenza di
potenziale necessaria per produrre la scintilla si chiama potenziale esplosivo o
tensione d'innesco: dipende solo dalla distanza fra gli elettrodi e dalla
pressione del gas intermedio, data la formula:
Ei = Vi / d Infatti con il diminuire della pressione aumenta l'energia cinetica acquistata dagli ioni sotto la forza del campo elettrico. Ne segue che, se la pressione diminuisce, è sufficiente un campo elettrico di minore intensità per accelerare gli ioni fino a energie superiori all'energia di ionizzazione.
Un particolare tipo di scintilla è la scarica che avviene tra due nubi temporalesche oppure tra una nube temporalesca e la Terra. La scarica a scintilla prende il nome di lampo nel primo caso e fulmine nel secondo caso.
Nei gas rarefatti la scarica elettrica si
innesca con tensioni assai minori che alle pressioni ordinarie e la conduzione
successiva attraverso alla colonna gassosa assume gli aspetti caratteristici
che variano in misura notevole col grado
di rarefazione del gas. Questi fenomeni si possono agevolmente osservare
disponendo due elettrodi (il catodo
è negativo e l'anodo è
positivo) verso le estremità di un tubo di vetro, comunicante con una
pompa per l'estrazione dell'aria. Se gli elettrodi sono sufficientemente
lontani, inizialmente si hanno soltanto delle scariche rumorose con
un'intensità di corrente piuttosto piccola, dovuta al movimento verso
gli elettrodi degli ioni presenti nell'aria. Data la distanza tra gli
elettrodi, la differenza di potenziale è inferiore al valore d'innesco e
così non avviene la scintilla.
Se si estrae progressivamente l'aria, si arriva
a un punto in cui si manifestano alcune sottili e tortuose strisce di luce
violacea da un elettrodo all'altro con un piccolo intervallo oscuro presso il
catodo. Proseguendo la rarefazione, tali strisce finiscono per fondersi in una
colonna rossastra che riempie tutto il tubo con un bagliore quasi uniforme
escluso solo un certo intervallo presso il catodo che rimane ancora oscuro.
Questo intervallo viene detto spazio
oscuro di Hittorf. Successivamente, quando la rarefazione scende
verso i 0,2 mm di mercurio nella colonna luminosa viene a formarsi una seconda
interruzione oscura, denominata secondo
spazio oscuro di Faraday, mentre il catodo si contorna
di una guaina luminescente denominata primo strato negativo: a questa segue il
primo spazio oscuro di Hittorf, relativamente poco esteso, che è a sua
volta seguito da uno strato luminescente violaceo, detto bagliore negativo, il quale degrada verso il secondo spazio oscuro
di Faraday. Segue infine una colonna luminosa fino all'anodo, denominata colonna positiva. In queste condizioni
il gas presenta la massima conducibilità. Con un ulteriore aumento della rarefazione, la
conducibilità del gas diminuisce, ed è necessario applicare
tensioni molto elevate per mantenere la scarica: si dice che il tubo è
diventato duro. Contemporaneamente la
luminosità diffusa dalla colonna positiva se, mentre il vetro del
tubo diventa fluorescente assumendo un colore verde-giallastro. Questo colore assunto dal vetro del tubo è
dovuto alla fluorescenza prodotta nel vetro da particelle provenienti dal
catodo chiamate raggi catodici.
I raggi catodici o raggi negativi si designano come degli elettroni liberi nello spazio e lanciati in fascio ad alta velocità in una direzione determinata. Con il nome di raggi canale o raggi positivi si intende invece un fascio simile ad alta velocità di ioni positivi. Da questa definizione risulta evidente che tanto i raggi catodici che i raggi canale sono di per sé invisibili. Se questi raggi però attraversano un gas rarefatto vi provocano dei fenomeni di ionizzazione per urto che ne rendono luminose e visibile le tracce. Tanto i raggi catodici che i raggi canale si proano in linea retta perché l'azione della gravità è assolutamente trascurabile rispetto all'energia cinetica corrispondente all'alta velocità rispettivamente degli elettroni e degli ioni positivi. Per gli elettroni dei raggi catodici questa velocità è di molte migliaia di km/s: per gli ioni positivi dei raggi canale la velocità è ridotta in proporzione alla maggiore massa degli ioni rispetto a quella dell'elettrone.
La traiettoria rettilinea di questi raggi può però essere però deviata per effetto di un campo elettrico o di un campo magnetico ortogonali alla direzione del moto. Questa deviazione può essere utilizzata per misurare la velocità e il rapporto e/m (carica specifica) tra la carica e e la massa m degli elettroni. La prima misura del genere fu fatta nel 1897 dal fisico inglese Thompson con un dispositivo analogo a quello qui sotto.
Quando Thompson eseguì il suo celebre esperimento la struttura atomica dell'elettricità mancava di una verifica sperimentale quantitativa, anche se veniva accettata come una ipotesi scientifica altamente probabile. I risultati di questo esperimento permisero di provare che mentre la velocità degli elettroni cresce con la differenza di potenziale tra catodo e anodo, la carica specifica è indipendente dalle condizioni sperimentali e dalla natura del gas residuo all'interno del tubo. Il valore e/m trovato da Thompson per i raggi catodici risultò molto più elevato, per un fattore di diverse migliaia, dei corrispondenti valori determinati per gli ioni. Perciò Thompson ne concluse che la radiazione catodica era composta da particelle con massa molto più piccola degli ioni e con carica negativa. Queste particelle furono più tardi chiamate "elettroni". Misure recenti hanno dato per la carica specifica di un elettrone il valore
1011 coulomb /chilogrammo
Se accettiamo, come fece Thompson, e come del resto
può essere provato con misure dirette, che ciascuna particella catodica
abbia una carica elementare di 1,60 10-l9 coulomb, possiamo calcolare
la massa di un elettrone. Abbiamo:
m = =
10-31 kg
Il tubo a raggi catodici viene usato sia negli oscilloscopi che negli apparecchi televisivi per produrre su uno schermo un'immagine controllata elettricamente.
Gli elettroni
vengono emessi per effetto
termoelettronico, che consiste nell'emissione di elettroni da parte di un
filamento metallico portato ad alta temperatura, dal catodo che viene riscaldato
dalla resistenza elettrica, percorsa dalla corrente. Questi elettroni emessi
nel vuoto vengono accelerati dall'anodo, che si trova a una differenza di
potenziale positiva rispetto al catodo. Un foro praticato nell'anodo consente
il passaggio di un fascetto di elettroni, che prosegue il suo percorso nel
vuoto, senza incontrare resistenza, fino a colpire lo schermo che è situato sul fondo del tubo. Lo schermo dei
tubi a raggi catodici è costituito da materiali speciali, detti fosfori, che emettono luce quando sono
bombardati da elettroni. ½ sono numerose qualità di fosfori per schermi
fluorescenti, che differiscono fra loro nel colore, nella persistenza, nel
rendimento, ecc. Uno dei fosfori più comuni è la "Willemite" (orto silicato di
zinco - ZnO + SiO2 - con tracce di manganese che agisce da
attivatore). Un altro materiale usato per gli schermi è costituito da un
miscuglio di zinco, cadmio, magnesio e silicio. La presenza, in proporzione
minore di una parte su 100.000 di alcuni metalli, come per esempio argento,
rame o cromo, può aumentare la luminosità dello schermo da
10 a 100 volte, determinandone anche il colore. L'intensità
luminosa di uno schermo fluorescente è proporzionale al numero di
elettroni che lo bombardano, ossia alla corrente del fascio e aumenta
approssimativamente secondo il quadrato della tensione anodica. La luce
prodotta dallo schermo non cessa istantaneamente appena finisce il
bombardamento di elettroni; analogamente essa impiega un certo tempo prima di
raggiungere l'intensità massima. La posizione del punto luminoso
è controllata da due coppie di placchette (armature del condensatore) di deflessione in direzioni
perpendicolari. Quando gli elettroni passano attraverso la prima coppia di
placchette, vengono attirati verso la placchetta a potenziale più
elevato. La deviazione è regolata variando la differenza di potenziale
tra le due placchette. Una coppia di placchette produce deflessione orizzontale
(se la placchetta superiore possiede un potenziale più alto di quella
inferiore, il fascetto devierà verso l'altro, se la placchetta inferiore
possiede un potenziale più alto di quella superiore, il fascetto
devierà verso il basso), l'altra coppia produce deflessione verticale
(se la placchetta di destra possiede un potenziale più alto di quella di
sinistra, il fascetto devierà verso destra, se la placchetta di sinistra
possiede un potenziale più alto di quella di destra, il fascetto
devierà verso sinistra). Con entrambe le coppie di placchette si
può spostare il punto luminoso in ogni punto dello schermo.
L'oscillografo a raggi catodici è
uno strumento di grande importanza nella tecnica moderna, per lo studio non
solo di fenomeni elettrici, ma anche di fenomeni periodici di natura diversa,
come, per esempio, la vibrazione di una sorgente sonora o le pulsazioni del
cuore, rilevabili sotto forma di impulsi elettrici. Per mezzo di elettrodi
piantati su una cellula il potenziale che si vuole esaminare viene applicato
alle placchette verticali di un oscilloscopio causando uno spostamento verticale
del punto luminoso. Per rappresentare la variazione in funzione del tempo degli
impulsi, viene fatto spazzolare a velocità costante il fascio orizzontalmente
da sinistra verso destra. Arrivato a destra, il fascio viene rapidamente riportato
a sinistra e ricomincia un nuovo spazzolamento. Questo movimento richiede che
la tensione applicata alle placchette orizzontali abbia forma a dente di sega. La
differenza di potenziale parte da zero, raggiunge un valore massimo V0, poi istantaneamente assume il
valore -V0 e successivamente inizia di nuovo a
salire fino a V0 e così via. La linearità della
differenza di potenziale rispetto al tempo, poiché lo spostamento dell'immagine
luminosa è proporzionale alla differenza di potenziale, fa sì che
il puntino luminoso si sposti sullo schermo di moto uniforme. Se il tempo t0
che impiega la differenza di potenziale per variare da V0
a +V0 è superiore al tempo di persistenza delle immagini
sulla retina (1/10 di s), si osserva sullo schermo un puntino luminoso che
parte dall'estremità sinistra, raggiunge l'estremità destra, poi
ritorna istantaneamente a sinistra e così via. Se invece t0
è minore di 1/10 di secondo, si osserva sullo schermo una linea luminosa
fissa.
Il tubo
di un televisore è molo simile al tubo a raggi catodici, eccetto per
il fatto che il fascio di elettroni è deviato magneticamente invece che
elettricamente. Il fascetto elettronico qui viene spostato rapidamente da un
meccanismo automatico, in modo tale che esso percorra 25 volte al secondo l'intero
schermo, il quale è costituito da 625 righe. In ogni istante, un solo
punto dello schermo viene colpito dagli elettroni emessi dal catodo, ma la
successione è talmente rapida che lo schermo sembra illuminato
contemporaneamente. I segnali che provengono dall'antenna (o da un
videoregistratore) comandano in ogni punto l'intensità del fascetto,
determinando così la definizione e le variazioni delle immagini che
vengono osservate sullo schermo. Con il meccanismo descritto si ottengono delle
immagini "in bianco e nero": dove arriva il fascetto si ha il bianco e dove non
arriva si ha il nero. In un televisore a colori vi sono tre fascetti
elettronici che operano contemporaneamente, ognuno dei quali incide su strati
differenti dello schermo, che producono punti colorati rispettivamente di rosso,
verde e blu. Dalla composizione e distribuzione di questi punti si
ottengono molte sfumature di colore, che rendono le immagini create sullo
schermo simili a quelle reali.
In genere, le tensioni applicate tra anodo e catodo in un normale televisore sono parecchie di migliaia di volt; di conseguenza gli elettroni accelerati dal campo elettrico raggiungono delle velocità altissime.
Televisori e monitor a tubo catodico sono oggi stati sostituiti da altri che usano tecnologie diverse, come i cristalli liquidi e il plasma, ma per alcune applicazioni (come certi tipi di videogiochi) la maggior parte degli utenti sembra ancora preferire la "vecchia" tecnologia a tubo catodico.
Privacy
|
© ePerTutti.com : tutti i diritti riservati
:::::
Condizioni Generali - Invia - Contatta