R: Fisica nei conduttori elettrici!

From: Maurizio Bonfanti <maurizio.bonfanti_at_tin.it>
Date: 1999/09/29

Duccio M. Gasparri <tazmaniac_at_bo.flashnet.it> wrote in message
37ef5325.2684625_at_news.flashnet.it...
>
> Ciao a tutti, ho una piccola domanda da fare sulle cariche elettriche
> e i conduttori...

La legge di cui tu parli (quella di Coulomb, immagino) vale ovviamente anche
per cariche in movimento. In questo caso intervengono per� non solo fenomeni
che sono impropriamente definiti come elettrostatici (infatti, come tu
dici, agiscono anche fra cariche in movimento). Intervengono anche fenomeni
specificamente elettrodinamici, come il cosiddetto "effetto pelle", che
dipende dalla frequenza del segnale in transito. Il suo meccanismo per la
verit� non � del tutto chiarito ma � ben dominato empiricamente. A grandi
linee, due fili paralleli percorsi da correnti equiverse si attraggono, e la
ragione � abbastanza ben giustificata dalle leggi fondamentali dell'
elettromagnetismo. Non � quindi chiaro perch� due filetti di corrente
equiversi che percorrono il medesimo conduttore sembrino invece respingersi,
e solo a frequenza diversa da zero. Si potrebbe pensare, dato che le cariche
si muovono su percorsi non rettilinei costituiti dai "gusci" degli atomi (la
cosiddetta banda di conduzione) a circa 2/3 della velocit� della luce, che
intervengano fenomeni tipicamente ottici, per esempio di riflessione, che
causerebbero campi magnetici parassiti; d'altra parte il "rumore elettrico"
nei conduttori ha come una delle sue cause proprio questa. Si pu� pensare
anche che fra il cambiamento di verso della corrente (a ogni ciclo) e il
cambiamento di orientamento degli atomi (o ioni) intervenga un ritardo tanto
pi� evidente quanto pi� la frequenza � elevata, dato che la costante di
tempo di tale cambiamento, che dipende dalle caratteristiche del materiale,
� appunto costante (fenomeno del rilassamento paramagnetico). In ogni caso,
la corrente penetra solo a una profondit� in centimetri pari alla costante
6,6 divisa per la radice della frequenza in Hz. L'espressione "effetto
 pelle" � particolarmente pertinente per le frequenze tipiche delle
telecomunicazioni, che suggeriscono infatti di costruire conduttori fatti
solo di "pelle", per esempio le guide d'onda.
L'espressione "portare la stessa (intensit� di) corrente" da te usata non �
corretta: � pi� corretto dire che presentano la stessa impedenza. Nei
conduttori d'energia per alta tensione l'interno del conduttore � sempre
occupato da un'anima d'acciaio che ha la funzione meccanica di sopporto dei
pesi delle lunghe tratte fra i sostegni, oltre che di resistenza alle
sollecitazioni aerodinamiche ed elettrodinamiche (correnti di
cortocircuito).
La "trefolatura" dei fili (il fatto che si tratti di molti fili intrecciati
anzich� di rame compatto) non serve che in piccola parte a fini elettrici (a
una migliore distribuzione della corrente) ma serve di pi�, a sua volta, a
fini meccanici, perch� il rame sopporta male la trazione e la flessione e si
incrudisce con facilit�, quindi si spezza, con sollecitazioni ripetute anche
al di sotto dei limiti elastici, e questa fragilit� per tutti i materiali si
riduce con la sezione (dipende dal momento d'inerzia della sezione); inoltre
gli attriti interni di un conduttore intrecciato agiscono molto bene da
smorzatori durante le sollecitazioni meccaniche, essendo pericolosissimo,
anzi catastrofico, il fenomeno della risonanza meccanica e aerodinamica
(vedi ponte di Tacoma). La trefolatura risolve infine notevoli problemi di
fabbricazione, trasporto e installazione, facilmente immaginabili per le
sezioni elevate (immagina sbarre di rame di qualche centimetro di diametro e
lunghe centinaia di metri). Comunque solo conduttori che prevedono
sollecitazioni di flessione o torsione sono trefolati, perch� ovviamente
sono pi� costosi dei conduttori pieni, e il filo singolo che compone il
trefolo � tanto pi� sottile quanto pi� � piccolo il raggio di curvatura o
quanto pi� � grande l'angolo di torsione che possono essere causati dalle
sollecitazioni in esercizio. Nel caso di cavi per telecomunicazioni, non c'�
"trefolatura", ma le diverse coppie di fili sono ugualmente intrecciate in
modo molto complesso per bilanciare i campi parassiti e ridurre le
interferenze (diafonia) fra i diversi canali; lo stesso vale per i
cavi-sonda della strumentazione elettronica.
I conduttori piatti (e compatti) sono in effetti utilizzati, dove possibile
(come sbarre principali di centrale o di stazione di distribuzione a media
tensione), proprio per sfruttare appieno la profondit� di penetrazione della
corrente nei conduttori, che � poco meno di 1 cm a 50 Hz (lo spessore di 2
cm � di fatto uno standard); ma questo � possibile appunto solo su tratte
brevi e non soggette a trazione o flesso-torsione ripetute, dato che il
conduttore � rigido. La corrente in questi conduttori non scorre alle
estremit� della sezione, come tu ipotizzi, ma in tutta la massa del rame;
infatti la profondit� di penetrazione � essenzialmente insensibile alla
forma della sezione, almeno a frequenze e tensioni non troppo alte. Questi
conduttori sono costruiti cos� proprio allo scopo di sfruttare completamente
la profondit� di penetrazione a 50 Hz, cio� per non mettere in opera del
costoso rame che poi non servir� a portare corrente.
Se per conduttore piatto intendi invece un conduttore di spessore
trascurabile come la metallizzazione di un isolante, anche questa tecnologia
� largamente impiegata, non solo nelle guide d'onda, ma nei circuiti
stampati, negli stessi microchip e nei condensatori di cui � pieno il tuo
PC; e anche lo schermo del tuo monitor � in effetti un "conduttore piatto"
depositato sul vetro. A parte il fatto che il tuo PC, se costruito per
intero con comuni conduttori, sarebbe grande come una casa, sarebbero anche
difficilmente gestibili al suo interno le centinaia di MHz del clock di
sistema.
Chiedo scusa ai fisici di questo newsgroup per i miei discorsi da
elettricista.

maurizio.bonfanti_at_tin.it
Received on Wed Sep 29 1999 - 00:00:00 CEST