R: R: Fisica nei conduttori elettrici!

From: Maurizio Bonfanti <maurizio.bonfanti_at_tin.it>
Date: 1999/10/05

Rispondo alle repliche di Franco (e di Marco Coletti), e infine al messaggio
di Duccio

Se riesaminate il mio precedente messaggio, vedrete che io non ho scritto
che "non esiste un modello" - che si trova infatti in tutti i libri che voi
avete citato e in molti altri - ma ho scritto che "Il suo meccanismo per la
verit� non � del tutto chiarito ma � ben dominato empiricamente". Ho avuto
solo il torto, e ne faccio ammenda, di non dire che "per me" non � chiarito
abbastanza, anche se so bene che molti se ne accontentano. Fra la scholarly
lesson, che soddisfa a tavolino o in esperienze ideali particolarmente
semplici, e alcune esperienze cui ora accenner�, "per me" ci sono
discrepanze che, nel mio piccolo, non riesco a colmare (ma non credo proprio
di essere il solo). Mi riferisco ai casi dell'arco elettrico, sia di bassa
tensione ad alta temperatura, sia d'alta tensione e lungo percorso, e al
caso del movimento focalizzato delle cariche all'interno dei tubi catodici
(il monitor, per esempio), nei quali non si verifica alcun fenomeno di
"cavitazione" (per questa ragione ho fatto l'esempio dei due fili di
corrente in due diversi conduttori e dei due fili nel medesimo conduttore);
al contrario, se si escludono i fenomeni di diffrazione in presenza di
ostacoli, le correnti in questi particolari conduttori sembrano mantenersi
autonomamente ben compatte, anzi, negli archi di potenza sembrano addensarsi
nel nucleo. Perci� mi sembra che siamo in presenza di un modello che "si
giustifica" su alcuni casi particolarmente semplici e ad hoc, e non di un
modello che "spiega (esaustivamente) il fenomeno". In questi casi � l'
aspetto empirico a dominare e non quello teorico. Peraltro il modello non mi
spiega perch� la velocit� di propagazione del segnale, se in un conduttore
nudo gi� non raggiunge quella della luce, diminuisca di circa il 15% se si
aggiunge un velo di isolante sullo stesso conduttore; eppure, se il
conduttore � alimentato con un generatore di corrente, quindi a tensione
bassissima, il campo elettrico circostante � trascurabile (almeno da un lato
della connessione), mentre la permeabilit� magnetica del sistema non �
mutata, e nessuna carica in moto, naturalmente, va a interessare l'isolante.
Un altro fenomeno che mi lascia perplesso � il fatto che le correnti
cosiddette di elettrocuzione, che percorrono cio� un organismo, che �
conduttore, sembrano rispettare piuttosto male, paradossalmente, l'"effetto
pelle", in particolare proprio quelle dovute a fulminazione, le cui
componenti sono ad altissima frequenza e dovrebbero al pi� bruciare i peli
del parafulmine biologico. Ulteriore motivo di perplessit� � il fatto che l'
anima dei cavi d'energia, in materiale non trascurabilmente magnetico (l'
acciaio), non modifica sensibilmente la profondit� di penetrazione; eppure
la configurazione delle riluttanze del sistema � radicalmente mutata. Ometto
altri motivi di perplessit�: mi basterebbe, per ora, eliminare questi e
sapere come si comporta al riguardo un superconduttore, nel quale la
resistenza si annulla e le cariche sembrano acquistare un moto laminare.
Circa l'affermazione di un precedente messaggio, secondo cui un conduttore
non ha bisogno di essere elettricamente carico per portare corrente, osservo
che, dal momento che le cariche libere non sono altro che cariche
appartenenti agli atomi e non cariche estranee, allora si pu� dire solo che
"mediamente" il conduttore non � elettricamente carico; inoltre, quando le
cariche sono poste in movimento, lo sono da una differenza di potenziale
(per questa ragione ho usato un generatore di corrente in precedenza, ma
neppure questa precauzione � sufficiente, perch� il conduttore � dotato di
resistenza, quindi il suo potenziale varia andando da un estremo all'altro),
perci� il conduttore, anche in piccola misura, quando � percorso da
corrente, "�" carico; il suo potenziale medio non � nullo.
Per quanto riguarda il rumore, quello termico (o Johnson per gli
elettricisti) non dipende solo da T (dalla radice di T se si parla di
tensione di rumore) ma anche dalla resistenza di rumore che, nel caso
particolare, � quella del conduttore. Accanto a quello termico, ed
escludendo il rumore che ha cause tecnologiche e quello causato da
interferenze del mondo esterno (e delle misure), � descritto e misurato un
rumore, a spettro "bianco" a sua volta, chiamato Shottky dagli elettricisti,
che dipende solo dall'entit� della corrente in transito ed � dato in
picoampere (o pi� spesso in pA/Hz, ossia come densit� spettrale); nei
semiconduttori � giustificato con la ricombinazione elettrone-lacuna, nei
conduttori con la non laminarit� della corrente (in entrambi i casi si
tratterebbe di un meccanismo di continua e casuale ionizzazione e
neutralizzazione degli atomi durante il transito delle cariche sotto l'
azione della differenza di potenziale applicata).
Per quanto concerne le guide d'onda, � vero che l'energia si propaga nel
mezzo interno alla guida e non sulla "pelle", quindi riconosco che il mio
esempio non � pienamente pertinente, ma non credo che, anche ma non solo a
causa delle perdite, il campo elettrico potrebbe conservarsi normale alla
superficie della guida e il campo magnetico parallelo alla superficie stessa
se il segnale penetrasse a profondit� non trascurabile nel materiale
conduttore della guida stessa. Perci� l'effetto pelle, se non domina il
processo di trasmissione, � tuttavia quello che lo rende possibile.
Franco infine mi chiede "e i cavi coassiali dove li metti?". Se non � solo
una battuta, rispondo prima di tutto che ho portato alcuni esempi e non
tutti gli esempi possibili, poi che, dato che questi cavi si comportano in
modo alquanto diverso a frequenze diverse (e sono usati dalla continua fino
a diverse decine di MHz), forse portarli come esempio sarebbe stato ancora
meno pertinente. In ogni caso non sono certamente immuni dall'effetto pelle.
In risposta a Duccio: non sono a conoscenza di lavori monografici sulla
fisica dei conduttori e per di pi� inclusivi di tutti i temi che tu hai
proposto, tecnici e tecnologici oltre che fisici. Le informazioni sono
sparpagliate fra testi propriamente di fisica e testi appunto tecnici e
tecnologici, e inoltre anche questi ultimi si dividono i compiti fra
conduttori per il trasporto di energia (testi di impianti elettrici e di
tecnologie elettriche) e quelli per le telecomunicazioni, e spesso
forniscono le relative informazioni nell'ambito dello studio delle linee
intese come sistemi, ossia in forma molto specialistica, e non
separatamente. Per quanto concerne gli aspetti meccanici infine, neppure
questi testi ne parlano, se non per cenni, e si deve ricorrere a testi di
scienza delle costruzioni o meglio di tecnica delle costruzioni, altrettanto
specialistici. In conclusione, se vuoi una panoramica completa, dovrai
accamparti per qualche mese nella biblioteca di un Politecnico e adattarti a
diversi linguaggi.
Saluti
Maurizio
Received on Tue Oct 05 1999 - 00:00:00 CEST