La corrente elettrica nei gas: spiegazione su conducibilità, tensione e scarica

La corrente elettrica nei gas: spiegazione su conducibilità, tensione e scarica A cura di Brunella Appicciafuoco.

Conducibilità, tensione e scarica della corrente elettrica nei gas. La spiegazione di come i gas possano diventare conduttori di corrente

1Conducibilità elettrica dei gas

Moltiplicatore di Schweigger
Moltiplicatore di Schweigger — Fonte: istock

In condizioni normali, un gas si comporta da isolante perfetto in quanto costituito da molecole allo stato neutro. Queste, quando investite da particolari agenti esterni, possono perdere uno o più elettroni se nell’urto viene ceduta una quantità di energia superiore a quella di ionizzazione. In seguito alla perdita di cariche negative, le molecole neutre assumono una carica positiva diventando cioè ioni positivi. Gli elettroni possono anche essere ceduti a molecole neutre che così si trasformano in ioni negativi. In pratica, per la presenza di un agente ionizzante, si generano nel gas ioni negativi, ioni positivi ed elettroni

Per valutare l’intensità di corrente in un gas in funzione della tensione, può essere considerato un dispositivo rappresentato da un condensatore le cui armature siano collegate ai poli di una batteria per mezzo di un sistema potenziometrico. Nel circuito sono inseriti un galvanometro, ovvero un misuratore di corrente molto sensibile, e un voltmetro per la misura della tensione tra le piastre del condensatore. Se l’aria tra le due piastre è secca, lo strumento di misura non rileverà passaggio di corrente. In presenza di aria ionizzata invece (ad esempio irraggiata con raggi X) lo strumento rileverà passaggio di corrente, costituita dal movimento di ioni negativi ed elettroni verso l’armatura positiva e di ioni positivi verso l’armatura negativa. 

Variando la d.d.p. tra i piatti del condensatore, la variazione dell’intensità di corrente potrà essere valutata in funzione della d.d.p.: si noterà che l’intensità di corrente, per piccoli valori della tensione, aumenta quasi proporzionalmente ad essa. 

2Corrente nei gas: tensione e corrente di saturazione

Galvanometro
Galvanometro — Fonte: istock

All’aumento continuo di tensione corrisponderà però un aumento sempre minore di intensità di corrente fino ad un valore costante (corrente di saturazione) per un determinato valore di tensione noto come tensione di saturazione. Se la d.d.p. tra gli elettrodi assume valori superiori alla tensione di saturazione, la corrente si mantiene costantemente uguale al valore di saturazione. Se, infine, la tensione assume valori superiori al valore detto tensione d’innesco, l’intensità di corrente torna ad aumentare molto rapidamente. 

In pratica, se la tensione è bassa, il numero di ioni che raggiunge gli elettrodi nell’unità di tempo contribuendo con la loro carica alla corrente, è inferiore al numero di ioni che nell’unità di tempo vengono prodotti dagli agenti ionizzanti. All’aumentare della tensione, aumenta anche il numero di ioni che raggiunge gli elettrodi nell’unità di tempo e di conseguenza aumenta anche l’intensità di corrente. Quando la tensione assume valori tali da far sì che tutti gli ioni prodotti in un secondo raggiungano gli elettrodi nello stesso intervallo di tempo, la corrente raggiunge il valore di saturazione e non può più aumentare. 

Indicando con n il numero di ioni prodotti dagli agenti ionizzanti per unità di tempo e di volume, con il numero N di ioni prodotti nell’aria tra le due piastre sarà dato dal prodotto di n per il volume dell’aria compresa tra le due piastre: N = n S h dove S è l’area di ciascuna piastra e h la distanza tra le due piastre. 

Indicando con e la carica elettrica di tutti gli ioni, l’intensità di corrente di saturazione sarà data dal prodotto di N per e: i = n S h e. La corrente di saturazione è cioè direttamente proporzionale alla distanza h tra gli elettrodi. 

Se fosse valida la legge di Ohm, all’aumentare della distanza tra gli elettrodi dovrebbe corrispondere un aumento di resistenza e quindi una diminuzione dell’intensità di corrente. Poiché l’intensità di corrente di saturazione aumenta con la distanza tra gli elettrodi, si può dedurre che la conduzione nei gas non segue la legge di Ohm.  

3Scarica a valanga

Producendo un maggior numero di ioni per secondo e per unità di volume, si può ottenere un’intensità di corrente superiore al valore di saturazione. Quando la tensione supera il valore di innesco Vi, l’intensità del campo elettrico tra gli elettrodi è tale da accelerare gli ioni fino ad una velocità tale che la corrispondente energia cinetica supera l’energia di ionizzazione: il campo elettrico quindi diventa a sua volta un agente ionizzante. Si ottiene una produzione di ionia valanga” che fa sì che la corrente aumenti notevolmente: il passaggio di corrente in tali condizioni va appunto sotto il nome di scarica a valanga

4Tensione di innesco

Scintille, alta tensione
Scintille, alta tensione — Fonte: istock

La tensione di innesco è direttamente proporzionale alla pressione del gas: se diminuisce la pressione, aumenta il percorso medio compiuto da una molecola tra un urto e il successivo e quindi aumenta l’energia cinetica acquistata dagli ioni sotto l’azione di un campo elettrico. Di conseguenza, per valori più bassi di pressione, un campo elettrico di minore intensità sarà sufficiente per accelerare gli ioni e per raggiungere cioè energie superiori all’energia di ionizzazione. 

Considerando il campo elettrico Ei corrispondente alla tensione di innesco Vi, avremo la seguente relazione: Ei = Vi/d dove d indica la distanza tra gli elettrodi. A parità di pressione, la tensione di innesco è direttamente proporzionale alla distanza tra gli elettrodi. Ricordiamo che è necessario che il campo elettrico assuma un dato valore Ei affinché uno ione acquisti, tra un urto e il successivo, un’energia cinetica che superi l’energia di ionizzazione: per la relazione descritta sopra, se ad esempio raddoppia la distanza d tra gli elettrodi, dovrà raddoppiare anche la tensione Vi.  

5Scarica a pressione normale e fenomeni luminosi

In determinate condizioni, la scarica elettrica attraverso un gas produce anche fenomeni luminosi. Durante un processo di scarica, gli ioni accelerati dal campo elettrico nell’urto con molecole neutre possono determinare, oltre alla ionizzazione, anche la loro eccitazione. In pratica, gli elettroni che in condizioni normali occupano gli orbitali più interni, possono ricevere dagli ioni l’energia necessaria per raggiungere gli orbitali più esterni (a maggiore energia). In questo modo la molecola raggiunge uno stato di eccitazione metastabile e, dopo un breve intervallo di tempo, gli elettroni tornano agli orbitali più interni (a minore energia) emettendo l’energia assorbita sotto forma di luce. In pratica in questo modo si ha la conversione di energia elettrica in energia luminosa senza riscaldamento

5.1Scarica a scintilla

Fulmini
Fulmini — Fonte: istock

Per valori di tensione inferiori al valore di innesco Vi, il passaggio di corrente elettrica in un tubo di scarica non produce fenomeni luminosi. L’emissione di luce si ha invece durante il processo di produzione a valanga di ioni ovvero quando la tensione supera appunto il valore di innesco Vi. La scarica elettrica si manifesta come un tratto molto luminoso di colore bianco-azzurro che unisce i due elettrodi e che va sotto il nome di scarica a scintilla. Questa avviene in genere tra due elettrodi qualsiasi tra i quali si applica una d.d.p. sufficientemente elevata

Esempi classici di scarica a scintilla sono quelli del lampo (scarica che avviene tra due nubi temporalesche) e del fulmine (scarica che avviene tra una nube temporalesca e la Terra). In pratica, durante l’attività temporalesca, le nuvole si caricano negativamente nella parte inferiore più vicina alla Terra; tale carica è così intensa che la superficie della Terra posta di fronte ad essa si carica positivamente per induzione. 

In questo modo, si produce una d.d.p. tra la nuvola e la Terra che è sufficiente affinché avvenga la scarica a scintilla, ovvero il fulmine. Durante il processo di scarica inoltre, si produce un riscaldamento di intensità tale che l’aria, espandendosi, produce un’onda sonora. Per i lampi vale lo stesso meccanismo, con l’unica differenza che la scarica elettrica avviene tra due nubi temporalesche

6Scarica nei gas rarefatti

Fulmine nel corso di un temporale
Fulmine nel corso di un temporale — Fonte: getty-images

Esistono dei dispositivi con cui è possibile studiare la variazione di scarica nell’aria al diminuire della pressione. Si consideri un tubo di vetro in cui sono disposti due elettrodi metallici collegati a un generatore di alta tensione, e da cui l’aria possa essere estratta progressivamente mediante una macchina pneumatica. Se gli elettrodi sono distanti, quando l’aria si trova alla pressione normale di 760 torr, si hanno scariche rumorose con piccola intensità di corrente. 

Estraendo progressivamente l’aria, al valore di pressione di 50 torr le scariche rumorose diventano più frequenti e silenziose. Al valore di pressione di 10 torr, avviene una scarica con una sola colonna violacea che unisce i due elettrodi. Man mano che si abbassa la pressione, la colonna luminosa investe l’intero tubo e si parla di scarica a bagliore. Per valori di pressione prossimi al millesimo di torr, la luminosità prima si affievolisce e poi scompare completamente. Contemporaneamente, il tubo di vetro diventa fluorescente e di colore verde-giallo