Conduzione nei gas

Obbiettivo: Osservare il comportamento delle cariche elettriche negli aeriformi.

Materiale

• Rocchetto di Ruhmkorff
Il rocchetto d’induzione inventato da Ruhmkorff è in grado di trasformare l’energia a basso potenziale della corrente continua di una pila o di un generatore in corrente alternata ad altissimo potenziale. È formato da un nucleo di fili di ferro dolce attorno a cui si trova un primo avvolgimento di poche spire di filo di rame grosso ed isolato (circuito primario). Attorno a questo sta un secondo avvolgimento di numerosissime spire di filo sottile di rame, pure esso isolato (circuito secondario). Nel circuito primario circola la corrente del generatore periodicamente interrotta da un interruttore che è formato da un dispositivo uguale a quello dei campanelli elettrici: ogni volta che si chiude e si apre il circuito, il nucleo subisce una brusca variazione di magnetizzazione seguita da una smagnetizzazione, che induce nel circuito secondario una corrente di brevissima durata e di piccola intensità, ma di grande voltaggio.

• Generatore di corrente continua
La sua struttura interna è caratterizzata da un trasformatore e dei ponti di diodi in grado di raddrizzare la corrente circolante nella normale rete elettrica domestica, e di trasformarla in corrente continua. Grazie a delle manopole e dei visori analogici posti nella parte frontale dell’apparecchio è possibile intervenire sulla corrente uscente regolandone l’intensità e la tensione a proprio piacere.

• Croce di Malta
Questo strumento è costituito da un contenitore di vetro chiuso in cui sono posti un catodo e un anodo. Nella parte più grande si trova una croce formata da una sottile lamina metallica collegata al fondo da uno snodo molto sensibile: la croce cade a qualsiasi movimento o vibrazione. Il fondo della parete è inoltre trattato con una sostanza fluorescente, sensibile al passaggio di elettroni.


• Pannello con tubi
È una pannello su cui sono innestati una serie di tubi di vetro in cui è stato creato un diverso grado di vuoto e alle cui estremità sono stati applicati degli elettrodi.


• Pompa aspirante
È una macchina caratterizzata da un motore elettrico in grado di aspirare l’aria da uno dei suoi condotti.

• Tubo con elettrodi a T
È un tubo ai cui estremi vi sono due elettrodi e nella parte centrale presenta un foro per il collegamento alla pompa aspirante.

• Grasso per vuoto
È un grasso molto denso che viene utilizzato per sigillare gli innesti dei collegamenti dei tubi.

Premesse teoriche
Negli aeriformi, la distanza che separa le molecole è tale da impedire una libera migrazione di elettroni da un atomo all’altro. Per questo motivo è difficile che avvenga una conduzione simile a quella che si presenta nelle sostanze solide conduttrici. Nonostante tutto, è possibile provocare, anche negli aeriformi, la formazione di portatori di carica attraverso due processi:
1. ionizzazione delle molecole del gas a opera di particelle ad alta energia;
2. cattura di elettroni da parte di atomi neutri del gas.

Quando il gas si trova immerso in un campo elettrico, gli ioni e gli elettroni creati migrano verso gli opposti elettrodi. La corrente elettrica generata ha delle caratteristiche molto particolari e complesse in quanto in particolari condizioni di pressione e potenziale, si verifica la formazione di ulteriori portatori di carica. Proprio per questo motivo si può dire che la legge di Ohm non può essere applicata ai gas in regime di conduzione.
I principali regimi di scarica nei gas sono:
• Scarica oscura: avviene quando viene applicata agli elettrodi di un contenitore sigillato una corrente continua con tensione non elevata. I pochi portatori di carica si limitano a migrare verso gli elettrodi senza creare nuovi ioni o elettroni. Il processo che si verifica è silenzioso e non produce effetti luminosi;
• Scarica a bagliore: se la d.d.p. aumenta, i portatori di carica acquistano una energia cinetica sufficiente per dar luogo a nuovi fenomeni di ionizzazione con notevole incremento dell’intensità di corrente e la produzione di fenomeni luminosi.
• Scarica ad arco: se gli elettrodi si trovano a pochi millimetri tra loro, il gas viene a trovarsi ad un alto grado di ionizzazione (stato di plasma) ed a temperature di 3-4 mila gradi. Si manifesta anche una forte emissione luminosa.


Realizzazione
L’esperienza può essere suddivisa in tre fasi principali, dedicate all’osservazione di un singolo tipo di scarica.

I. Studio della scarica ad arco
Colleghiamo il generatore al rocchetto di Ruhmkorff. Posizioniamo gli elettrodi a distanze differenti e osserviamo ciò che accade.

II. Studio della scarica a bagliore
Colleghiamo il generatore al rocchetto di Ruhmkorff e dopo aver tolto la punta e il piatto dagli elettrodi, lo colleghiamo ad uno dei tubi del pannello. Forniamo corrente e osserviamo ciò che accade. Dopo aver ripetuto l’esperienza anche con gli altri tubi, proviamo ad eseguire l’esperimento con la pompa per il vuoto. Colleghiamo generatore, rocchetto e gli elettrodi del tubo. Questa volta però aggiungiamo la pompa per il vuoto innestandola al tubo. Sugli innesti applichiamo anche un po’ di grasso spefico per evitare perdite. Azioniamo generatore, pompa e osserviamo ciò che accade.

III. Studio della scarica oscura
Colleghiamo il generatore al rocchetto di Ruhmkorff e dopo aver tolto la punta e il piatto dagli elettrodi, lo colleghiamo alla croce di malta. Poniamo la croce metallica in posizione verticale e accendiamo il generatore. Osserviamo ciò che accade. Avviciniamo ora una calamita alla croce e osserviamo cosa cambia.


Osservazioni
Così come per la realizzazione, anche le osservazioni preferisco dividerle per argomento:

I. Scarica ad arco
Abbiamo osservato che la scarica che si viene a produrre quando gli elettrodi sono molto vicini è ad arco. È così intensa che è in grado di ionizzare il metallo del piatto producendo un odore molto caratteristico. Se però allontaniamo i due elettrodi, la scarica diventa sempre più debole fino a quando il fenomeno si interrompe.

II. Scarica a bagliore
I tubi posti sulla tavoletta ha dato origine a fenomeni diversi in quanto in ognuno era presente aria a pressioni differenti. Nel tubo dove il grado di vuoto non era molto alto si è formata una scarica abbastanza sottile e continua. Nel secondo tubo, invece, la scarica tendeva ad allargarsi ed infine nell’ultimo tubo, dove il grado di vuoto era più alto, abbiamo assistito alla formazione di una scarica più grossa ma spezzettata. L’esperienza eseguita con la pompa per il vuoto ci ha permesso di osservare il passaggio ordinato dei tre fenomeni sopra descritti man mano che il vuoto aumentava nel tubo.

III. Scarica oscura
Quando abbiamo fornito corrente sul fondo del contenitore si è formata un’immagine corrispondente all’ombra della croce. Continuando a fornire energia la croce cade in quanto il numero degli elettroni che la colpiscono aumentano. Quando poi abbiamo avvicinato il magnete abbiamo osservato che l’ombra della croce si spostava.

Conclusioni
Con questa esperienza abbiamo verificato a che tipo di fenomeno danno origine i tre regimi di scarica studiati. Questa esperienza ci ha anche permesso di capire quali possono essere (o quali sono!) gli utilizzi pratici: la scarica a bagliore, ad esempio, è la stessa che viene utilizzata nelle lampade al neon; mentre quello ad arco viene utilizzata in campo industriale per saldare i metalli.