Reticolo cristallino Traiettoria in assenza di campo Traiettoria in presenza di campo

Ciò che colpisce dell'elettricità è che essa non può essere pesata, vista e udita, cioè che essa non è percettibile attraverso i sensi come lo sono invece la luce, il suono o il calore. Solo a certe condizioni, toccando i conduttori metallici, si è in grado di avvertire il suo passaggio attraverso le pericolose ripercussioni che può provocare sul nostro sistema nervoso.

L'elettricità, essendo in grado di produrre lavoro elettrico, è sicuramente una forma di energia, anzi una delle forme più pratiche di energia, se si considera la capillarità con cui si può distribuirla all'utenza. Portatori di questa energia e pertanto anche della corrente elettrica sono gli elettroni presenti nel conduttore, particelle estremamente piccole scoperte nel 1897 da Joseph John Thompson (1865 - 1940). Queste particelle sono insieme ai protoni e ai neutroni i mattoni costitutivi degli atomi, quindi della materia, e perciò sono presenti sia negli isolanti che nei conduttori, ma in quest'ultima categoria di materiali essi si trovano in una condizione particolare.

Infatti i conduttori sono caratterizzati dal fatto che nel loro interno i portatori di carica sono liberi di muoversi. Cioè, ad esempio, i conduttori solidi per eccellenza, i metalli, sono fatti in modo che all'interno del loro reticolo spaziale (vedi disegno), ai cui vertici si trovano gli ioni positivi, gli elettroni, invece di essere ciascuno legato ad un atomo, sono in grado di muoversi liberamente da atomo ad atomo in modo del tutto disordinato e imprevedibile (si parla per questo di ioni positivi di sodio, ferro, alluminio, rame, ecc. immersi in un gas di elettroni o di nube elettronica). L'unico ostacolo al loro moto caotico sono evidentemente gli urti con gli ioni positivi del reticolo che vibrano per agitazione termica intorno alla loro posizione reticolare d'equilibrio.

La lunghezza media del cammino percorso da un elettrone tra un urto e quello successivo viene detto cammino libero medio e questa è una grandezza caratteristica di ciascun conduttore. Ciascun elettrone, tra un urto e quello successivo, si trova così libero di seguire un percorso rettilineo, cosicché la sua traiettoria risulta essere ciò che in geometria si chiama una spezzata (vedi figura). Se per assurdo si fosse in grado di seguire il moto degli elettroni in una porzione del conduttore, si constaterebbe che per un numero grande a piacere “N” di elettroni che si spostano verso sinistra ce ne sono altrettanti che si muovono verso destra, così come per “N” elettroni che si spostano verso l'alto ce ne sono ancora “N” che vanno verso il basso. Ciò suggerisce che la velocità media degli elettroni in un conduttore in equilibrio elettrostatico sia nulla e che quindi, non essendoci una direzione di moto preferenziale, non ci può essere nel suo interno alcuna corrente elettrica (se per corrente intendiamo un moto ordinato dei portatori di carica da una parte all'altra dello spazio).

Se invece un conduttore fa parte di un circuito elettrico con un generatore in funzione, si sa che esso è attraversato da una corrente elettrica di una certa intensità. La velocità della corrente elettrica che vi circola all'interno è uguale a quella della luce, cioè pari a circa 300000 chilometri al secondo, un valore enorme (per rendere l'idea, una aereo spinto alla stessa velocità sarebbe in grado di percorrere sette volte il giro della terra in un solo secondo!). Ma questo valore non è da intendere nel senso che un singolo elettrone passi a questa velocità per tutto il filo. Ciò che si propaga con tanta velocità è solo l'impulso.

Si può venire a capo di questa apparente contraddizione con un semplice esempio. Si supponga di avere un lungo tubo di gomma riempito fittamente di palline d'acciaio quasi dello stesso diametro. Se da una parte del tubo viene aggiunta una pallina, dall'altra una ne viene spinta fuori e così di seguito per ogni pallina in più. La propagazione dell'impulso all'inizio e alla fine del tubo avviene entro un tempo minimo, dunque ad altissima velocità, mentre ogni singola pallina ha percorso una distanza molto piccola. Un comportamento analogo avviene agli elettroni all'interno del filo conduttore.

Quando è presente un campo elettrico dovuto ad una differenza di potenziale ai capi del filo, ciascun elettrone acquista un'accelerazione e così i tratti rettilinei che formavano la sua traiettoria diventano degli archi di parabola (vedi figura). L'effetto di questa accelerazione è quello di aggiungere alla precedente velocità degli elettroni di direzione assolutamente casuale una piccola componente di velocità (detta di deriva e indicata in figura con v_d) nella direzione del campo elettrico che si annulla ad ogni urto con un protone del reticolo e si instaura nuovamente nel corso del cammino libero medio.

Dividendo, ad esempio, la nube elettronica del conduttore in tante regioni sferiche per avere così un'analogia con la palline nel tubo di gomma, ciascuna porzione sferica di nube si sposta nella direzione del campo con la velocità di deriva, anche se i suoi elettroni mantengono nel suo interno un moto caotico. L'impulso da un capo all'altro del conduttore si trasmette così alla velocità della luce, mentre gli elettroni mantengono il loro cammino libero medio inalterato, cioè percorrono distanze medie contenute, perché ostacolati dagli urti con gli ioni positivi del reticolo.

Per avere una corrente elettrica duratura occorrono due condizioni essenziali:

• che in una certa regione vi siano cariche libere di muoversi (ad esempio gli elettroni di un conduttore o gli ioni di una soluzione acida o basica);
• che vi sia una differenza di potenziale capace di metterle in movimento e soprattutto un apparecchio in grado di mantenerla nel tempo.

L'invenzione da parte di Volta del primo generatore della storia, la pila (Vecchie pile a colonna), permise di disporre finalmente di una strumento in grado di risolvere i problemi legati alla persistenza della differenza di potenziale fra due conduttori.