R: R: R: Fisica nei conduttori elettrici!

From: Maurizio Bonfanti <maurizio.bonfanti_at_tin.it>
Date: 1999/10/13

Franco ha scritto: Faccio un po' di snip qua e la` e provo a rispondere a
qualche punto.

Ne faccio qualcuno anch'io. Comincio dalla "explicatio terminorum".
"Cavitazione" o formazione di cavit�, l'ho preso in prestito, sulla scorta
della cosiddetta elettrotecnica, dall'idrodinamica. "Corrente" proviene
dallo stesso tipo di prestito. Nell'idrodinamica la cavitazione indica la
formazione, all'interno di una corrente appunto, di "cavit�" nella sezione
trasversale, in cui il fluido non riesce a penetrare. "Fulminazione", o l'
essere investiti dal fulmine (di organismi o cose), � termine usato nella
normativa degli impianti elettrici (ho gi� chiesto scusa nel mio primo post
per i miei discorsi da elettricista). Poich� tale normativa ha persino forza
di legge in quanto implica la sicurezza, mi sono sentito autorizzato a
servirmene. "Arco elettrico, sia di bassa tensione ad alta temperatura, sia
d'alta tensione e lungo percorso": noi siamo in grado di generare solo due
tipi di archi, uno a bassa frequenza di grandissima energia (o in continua,
di energia molto minore per ragioni tecniche) e uno ad altissima tensione,
di modesta energia ma di potenza elevata a causa della sua durata, che si
situa nel campo dei microsecondi (il primo pu� avere durata teoricamente
illimitata). Altri archi, per esempio ad alta frequenza e di potenza e
durata sufficiente per poterne analizzare la dinamica non ne conosco. E la
ragione � semplice: per generare il primo tipo di arco si pu� usare o un
alternatore appositamente progettato (cosa sempre meno frequente) o
ricorrere alla rete pubblica nazionale e internazionale (naturalmente di
notte) per disporre delle potenze sufficienti, dato che lo si studia alle
basse ma anche alle altissime tensioni; l'altro si genera abbastanza
facilmente nei laboratori in cui si effettuano prove e ricerche sull'
isolamento dei materiali mediante "fulmini" (impulsi) normalizzati con
valori di picco di alcuni megavolt. Produrre archi permanenti o anche di
durata dell'ordine del millisecondo (non impulsivi) nelle alte frequenze �
tecnicamente improbabile, dato che i relativi generatori, realizzabili solo
con tecniche elettroniche, non possono fornire condizioni d'arco affidabili
dal punto di vista dell'analisi, dato che l'arco stesso interferisce
fortemente nel comportamento del circuito e che le potenze disponibili per
via elettronica sono molto limitate. La continua, invece, non manca di
generatori rotanti (dinamo), ma la loro potenza � fortemente limitata dalla
loro tecnologia; ricorrere al raddrizzamento riporta all'uso dell'
elettronica, quindi ai limiti di potenza e d'energia che essa sa e pu�
gestire. Perci� mi sono limitato alle due categorie d'arco suddette.
Continuo ora con le questioni di teoria delle reti elettriche: con il mio
discorso sui generatori di corrente ho solo voluto cercare di salvare l'
affermazione (non mia) secondo cui un conduttore non ha bisogno di essere
elettricamente carico per portare corrente. Se infatti un conduttore � privo
di resistenza, allora un generatore di corrente e solo quello pu� evitare
che il conduttore si trovi carico al passaggio della corrente; se si usa un
generatore di tensione, sia pure minima ma necessaria per mettere in moto le
cariche, il requisito non � rispettato. Ma io stesso ho precisato poi che la
precauzione � "nella realt�" inutile, perch� il conduttore non � privo di
resistenza (a meno, aggiungo, che non sia in stato di superconduzione). Il
principio o teorema di equivalenza (che chiamo cos� anzich� teorema di
sostituzione, perch� � alla radice del teorema del generatore equivalente
nelle sue due varianti di Th�venin e di Norton) mi � abbastanza noto, tanto
che nel mio piccolo ho elaborato un metodo di calcolo delle reti basato
unicamente su di esso e che dimostra di essere il pi� efficiente in termini
di entit� dei calcoli e di immunit� all'errore, oltre che il pi� semplice da
meccanizzare mediante qualunque tipo di linguaggio. Per quanto riguarda il
fatto che il potenziale abbia poco a che vedere con il numero di cariche
libere a meno che non si voglia considerare la capacita` propria del cavo
rispetto al resto dell'universo, posso solo osservare che il potenziale si
definisce solo in termini relativi e non assoluti: un conduttore percorso da
corrente ha potenziale zero solo rispetto a se stesso, ma non rispetto a
qualunque altro punto del sistema in cui il conduttore si trova a operare.
Quindi o non se ne parla proprio o, se se ne parla, occorre definire un
riferimento. Ma � lecito non parlarne, dato che si sta parlando di campi
elettrici? D'altra parte, se il potenziale fosse davvero irrilevante, non
riacquisterebbe forza la mia osservazione circa la pellicola di isolante sul
conduttore, che invece � stata bocciata? Sempre riguardo alle reti
elettriche, fra velocit� di movimento delle cariche e propagazione di un
segnale, il legame � diretto solo se si fa riferimento a una differenza di
potenziale (applicata al conduttore) di tipo costante (continua), non di
tipo alternativo, perch� in quest'ultimo caso la propagazione dell'onda
(piana quando � piana) non riguarda le cariche ma l'energia o l'informazione
che transita a causa della loro oscillazione intorno a un punto teoricamente
immobile (che non ha alcun motivo di migrare). Ma non � vero che le cariche
si muovono solo a causa di agitazione termica: la prima causa, in una rete
elettrica, sono le differenze di potenziale, altrimenti nei superconduttori
che operassero vicino a 0�K le cariche sarebbero quasi immobili e quindi non
si avrebbe alcuna trasmissione di energia o di informazione. Un'ultima
osservazione riguardo alla propagazione e al movimento delle cariche � che
una corrente, per sua sfortuna, circola solo in circuiti chiusi, se si
escludono forse i fasci di particelle cariche emessi da una stella, ma non �
questo il caso che interessa la discussione, e dico "forse" perch�, quando
si sconfina nelle teorie cosmologiche, io, elettricista, non so pi� bene di
che cosa si sta parlando (ma qualcuno lo sa?). Questa � una ragione per cui
i modelli che parlano, in particolare, di onde piane, non li sento come
spiegazioni ma come pi� o meno lecite schematizzazioni che consentono una
giustificazione solo di se stesse e dei casi che vi possono essere
strettamente ricondotti. E non � certo il caso dell'arco elettrico.
Per quanto concerne quest'ultimo, riservandomi di riprendere nel seguito gli
altri temi interessanti della tua replica, mi chiedo se, considerato un
conduttore percorso da corrente (quindi con tanto di onda piana) e
immaginando di tagliarlo in una certa sua sezione causando un arco e
considerando che, se l'arco � stabile, il destinatario dell'energia o
informazione non si accorge della presenza dell'arco perch� riceve quello
che deve ricevere come in precedenza (questo accade nella realt� se non si
interrompe un arco dovuto a guasto non catastrofico in linea), mi chiedo
dunque se l'onda piana, al suo passaggio nel tratto d'arco, scompare per poi
ricomparire nel conduttore fino alla destinazione, e questo solo perch� l'
arco, anzich� curarsi di Maxwell, si cura della propria magnetoidrodinamica.
Piuttosto che una giustificazione debole come quella magnetoidrodinamica
(responsabile di altri fenomeni d'arco, come l'emissione di onde em ad ampio
spettro) a cui � davvero difficile attribuire il mancato rispetto del
modello "effetto pelle", si sarebbe potuto addurre il fatto che il nucleo d'
arco � costituito da plasma proveniente nella sua totalit� dal metallo
gassificato dei contatti, mentre la sua periferia causa una forte
ionizzazione anche del mezzo, producendo una miscela pi� fredda e molto meno
conduttrice, costringendo quindi le correnti a ripiegare sul nucleo. Questo
fenomeno � peraltro quello su cui si basa ogni tecnica di estinzione dell'
arco, mediante la scelta del mezzo pi� idoneo ad accelerare il processo (es.
SF6). Non sarebbe comunque stata un'ipotesi del tutto soddisfacente proprio
in vista dell'onda piana in transito e della sua persistenza, ma una certa
ratio l'avrebbe avuta.
Per chiudere, parlando dell'elettrobisturi hai parlato di corda in casa dell
'impiccato, perch� io stesso sono finito in ospedale per un'ustione profonda
fino all'osso in una gengiva a causa di uno di essi, e sfortunatamente il
buco nella gengiva � ancora qui a testimoniarlo. Per quanto ne seppi nella
circostanza, il principio di funzionamento non ha relazione con l'effetto
pelle, ma con l'effetto cauterizzante proprio di un piccolo arco ad alta
frequenza in cui la forma degli elettrodi e la loro distanza (alterata
accidentalmente nella circostanza) � il criterio di dimensionamento, e non l
'effetto pelle, di cui nessun medico o progettista di elettromedicali che
conosca la casistica dell'elettrocuzione e l'aleatoriet� delle resistenze
dei tessuti si fiderebbe.
Per ora il mio tempo mi obbliga a chiudere qui, perci� rimando il resto
della mia replica, che nella sostanza chiede spiegazioni pi� soddisfacenti,
a un messaggio successivo, se uno baster� dato che hai invitato al tavolo
anche Einstein.
Saluti
Maurizio
Received on Wed Oct 13 1999 - 00:00:00 CEST