Perché gli elettroni si muovono? La spiegazione semplice

Da dove nasce la tensione elettrica?

Abbiamo visto che una lampadina si accende quando il circuito viene chiuso e gli elettroni iniziano a muoversi nel filo.

Ma questo porta subito a una domanda ancora più importante.

Perché gli elettroni iniziano a muoversi?

Gli elettroni non vengono creati dalla batteria: sono già presenti all’interno del conduttore. Eppure, appena chiudiamo il circuito, iniziano quasi istantaneamente a spostarsi lungo tutto il percorso elettrico.

Che cosa li mette in movimento?

È una domanda che sembra semplice, ma la risposta è alla base del funzionamento di qualunque circuito elettrico.

La risposta è uno dei concetti più importanti di tutta l’elettrotecnica: la tensione elettrica. È la batteria che, grazie alla propria energia chimica, crea una differenza di potenziale capace di esercitare una forza sugli elettroni e di dare origine alla corrente elettrica.

 

In questo articolo scopriremo che la batteria non produce elettroni, ma crea le condizioni affinché quelli già presenti nel filo inizino a muoversi.

 

Gli elettroni sono già nel filo

Quando osserviamo una batteria collegata a una lampadina, è naturale pensare che gli elettroni escano dalla batteria e percorrano il circuito.

In realtà non è così.

Gli elettroni sono già presenti all’interno dei fili elettrici, ancora prima che il circuito venga chiuso. Nei metalli, come il rame, alcuni elettroni sono infatti liberi di muoversi all’interno del reticolo cristallino e costituiscono quello che viene spesso chiamato mare di elettroni.

Questi sono gli elettroni di valenza degli atomi del metallo, che non rimangono legati a un singolo atomo ma sono condivisi da tutto il reticolo cristallino.

Quando il circuito è aperto questi elettroni si muovono continuamente in modo disordinato, urtandosi tra loro e contro gli atomi del materiale. Poiché il loro moto avviene in tutte le direzioni, il risultato complessivo è nullo: non esiste una corrente elettrica.

L’energia termica del materiale è infatti sufficiente a mantenerli in continuo movimento, ma poiché questo avviene in tutte le direzioni, il loro effetto complessivo si annulla e non si genera alcuna corrente elettrica.

La situazione cambia soltanto quando la batteria crea una differenza di potenziale tra i due estremi del circuito. Da quel momento gli elettroni, pur continuando il loro moto caotico, acquistano una piccola velocità media nella stessa direzione e nasce così la corrente elettrica.

 

La batteria non crea elettroni

Uno degli errori più comuni è immaginare la batteria come una sorgente che produce continuamente nuovi elettroni e li immette nel circuito.

In realtà la batteria non crea elettroni. Gli elettroni sono già presenti nei fili metallici e rimangono gli stessi per tutto il funzionamento del circuito.

Se la batteria producesse continuamente nuovi elettroni, nel circuito le cariche aumenterebbero senza sosta. Questo però non accade: la batteria si limita a mettere in movimento gli elettroni che sono già presenti nel conduttore.

Ciò che la batteria produce è una differenza di potenziale, cioè una differenza di energia elettrica tra il polo negativo e il polo positivo. Questa differenza prende il nome di tensione elettrica.
La tensione si misura in volt (V) ed è la grandezza fisica che genera il campo elettrico responsabile del movimento delle cariche elettriche nel circuito.

Grazie all’energia chimica contenuta al suo interno, la batteria accumula elettroni sul polo negativo e crea una carenza di elettroni sul polo positivo. Quando il circuito viene chiuso, questa differenza di potenziale genera un campo elettrico che esercita una forza sugli elettroni presenti nel filo e li mette in movimento.

La batteria quindi non fornisce gli elettroni: fornisce l’energia necessaria per farli muovere.

La batteria non è una fabbrica di elettroni.
È un generatore di differenza di potenziale che mette in movimento gli elettroni già presenti nel circuito.

La tensione è la spinta che mette in movimento gli elettroni

Abbiamo visto che la batteria crea una differenza di potenziale, chiamata tensione elettrica. Ma in che modo questa tensione riesce a mettere in movimento gli elettroni?

La risposta è il campo elettrico. Quando il circuito viene chiuso, la differenza di potenziale tra i due poli della batteria genera un campo elettrico lungo tutto il conduttore.

Questo campo esercita una forza sugli elettroni liberi presenti nel filo. Poiché l’elettrone possiede carica negativa, la forza elettrica è diretta in verso opposto al campo elettrico. Gli elettroni acquistano così una piccola velocità media di deriva in verso opposto al campo, dando origine alla corrente elettrica.
Questa forza è descritta dalla relazione fondamentale della fisica:

\(F=qE\)

dove F è la forza elettrica, q è la carica dell’elettrone ed E è il campo elettrico.

Questo lento movimento medio degli elettroni prende il nome di velocità di deriva.
La velocità di deriva rimane molto bassa perché, durante il loro percorso, gli elettroni urtano continuamente gli atomi del reticolo cristallino. Questi urti ne rallentano il movimento, ma non impediscono al campo elettrico di mantenerne lo spostamento ordinato.

Possiamo immaginare il campo elettrico come il vento che spinge una barca a vela. La barca esiste già, ma rimane ferma finché non arriva il vento. Allo stesso modo gli elettroni sono già presenti nel filo, ma è il campo elettrico a metterli in movimento.

La tensione, quindi, non è la corrente elettrica: è la causa che la produce. Senza tensione gli elettroni continuano a muoversi in modo casuale all’interno del conduttore, ma non esiste un movimento ordinato e quindi non esiste corrente elettrica.

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La tensione non è il movimento degli elettroni.
La tensione genera un campo elettrico che esercita una forza sugli elettroni e li mette in movimento.

Perché la lampadina si accende quasi istantaneamente?

A questo punto potrebbe nascere un dubbio.

Se gli elettroni si muovono piuttosto lentamente all’interno del filo, perché la lampadina si accende quasi nello stesso istante in cui chiudiamo l’interruttore?

La risposta è che non è necessario aspettare che un singolo elettrone percorra tutto il circuito.

Quando il circuito viene chiuso, il campo elettrico generato dalla batteria si propaga lungo il conduttore a una velocità enorme, prossima a quella della luce nel materiale. Questo campo raggiunge praticamente tutto il circuito in una frazione di secondo.

Ogni elettrone presente nel filo, trovandosi immerso nello stesso campo elettrico, acquisisce quasi contemporaneamente una piccola velocità di deriva.
Per questo motivo la corrente elettrica inizia praticamente in tutto il circuito nello stesso istante e la lampadina si accende immediatamente, anche se ciascun elettrone avanza molto lentamente.

È un po’ come una fila di persone molto vicine tra loro: basta che la prima dia una leggera spinta alla successiva perché il movimento si propaghi rapidamente lungo tutta la fila, senza che la prima persona debba percorrerla tutta.

Il campo elettrico si propaga molto rapidamente.
Gli elettroni, invece, si muovono lentamente: è questa differenza che spiega perché la lampadina si accende quasi istantaneamente.

Gli elettroni non fanno il giro della batteria

Dopo aver visto come nasce la corrente elettrica, è il momento di chiarire un ultimo equivoco molto diffuso.

Molte persone immaginano che, appena si chiude il circuito, un elettrone esca dal polo negativo della batteria, percorra tutto il filo, attraversi la lampadina e infine rientri nel polo positivo.

In realtà non è questo che accade.

Gli elettroni che attraversano la lampadina erano già presenti nel filo molto prima che il circuito venisse chiuso. Quando il circuito viene chiuso, il campo elettrico si stabilisce rapidamente lungo il circuito ed esercita una forza sugli elettroni liberi già presenti nei conduttori, che acquistano così una velocità media di deriva.

È un movimento collettivo, non il viaggio di un singolo elettrone da un’estremità all’altra del circuito.

Per questo motivo la corrente elettrica può essere descritta come il moto ordinato di un’enorme quantità di elettroni già presenti nel conduttore, e non come l’immissione di nuovi elettroni da parte della batteria.

La batteria non invia nuovi elettroni nel circuito.
Gli elettroni sono già presenti nel filo: il campo elettrico li mette tutti in movimento quasi contemporaneamente.

In sintesi

Ricapitoliamo i concetti fondamentali che abbiamo scoperto.

• Gli elettroni sono già presenti all’interno dei fili metallici.
• La batteria non crea elettroni e non li consuma.
• Grazie alle reazioni chimiche, la batteria genera una differenza di potenziale, cioè una tensione elettrica.
• Quando il circuito viene chiuso, la differenza di potenziale mantenuta dalla batteria determina lo stabilirsi di un campo elettrico nei conduttori.
• Il campo elettrico esercita una forza sugli elettroni e li mette in movimento.
• Il moto ordinato degli elettroni costituisce la corrente elettrica.
• La lampadina si accende quasi istantaneamente perché il campo elettrico si propaga molto più velocemente degli elettroni.
• Gli elettroni non devono percorrere tutto il circuito: si muovono quasi contemporaneamente perché sono già presenti nel filo.

Comprendere questi passaggi significa aver capito davvero come nasce la corrente elettrica. Nei prossimi articoli utilizzeremo queste idee per studiare l’intensità di corrente, la resistenza elettrica e le leggi che governano il comportamento dei circuiti.

Idea chiave dell’articolo
La batteria non crea gli elettroni.
Genera la tensione.
La tensione crea il campo elettrico.
Il campo elettrico mette in movimento gli elettroni.
Nasce così la corrente elettrica.