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i movimenti delle particelle nell'accumulatore al piombo

Leggi e teorie della fisica

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[1] i movimenti delle particelle nell'accumulatore al piombo

Messaggioda Foto UtenteMarcixxx » 22 set 2015, 0:48

Vorrei capire quali sono le reazioni chimiche e i movimenti delle particelle che avvengono in un accumulatore al piombo.
Spesso, molte persone (io stesso) confondono ad esempio il fenomeno della solfatazione, come delle molecole di ossido di piombo che si 'attaccano' al catodo e all'anodo.
In realtà a parer mio, ad esempio nel caso dell'anodo, dovrebbe essere l'atomo di piombo che, essendo legato agli altri atomi di piombo da un legame metallico (forte), ma avendo l'orbitale esterno 'carente' in cariche negative ma che tende ad essere 'riempito', attira a se lo ione solfato e si 'trasforma' in ossido di piombo.

Ora, forse è un po' riduttivo parlare della reazione che avviene tra singole particelle: le molecole contenute in un contenitore da un litro di acqua sono all'incirca 55.56 * 6.022 * 10^23, cioè:
33.463.788.000.000.000.000.000.000
Trentatre milioni, di miliardi, di miliardi, di molecole

Certo non avverranno mai le reazioni precise come avvengono nei calcoli, però grazie all'applicazione della 'legge di azione di massa' (è una legge della chimica che dice che, un gran numero di particelle, pur agendo singolarmente in modo apparentemente casuale, possano di fatto essere ricondotte ad un modello maggiore), possiamo provare a descrivere i principali processi che si verificano.

Insomma senza scendere nel dettaglio di calcoli matematici, mi piacerebbe sintetizzare i concetti dei processi e delle reazioni che avvengono in un accumulatore al piombo e fare dei disegnini che ne semplificano la comprensione.
Mi potete aiutare?

Partiamo da un contenitore vuoto.
vi versiamo l'acqua.
Ipotizziamo per ora che sia acqua pura al 100%
Data l'asimmetria della molecola di acqua, e data la sua polarità, le molecole si dispongono nel contenitore distanziandosi l'una dall'altra all'incirca la distanza del legame idrogeno che lega debolmente le varie molecole.
Legami_a_idrogeno_h2o.png
Legami_a_idrogeno_h2o.png (32.63 KiB) Osservato 3014 volte


Il legame a idrogeno, è un legame debole, e consente all'acqua di non essere vapore, e al contempo di non essere un solido.
Da qui le caratteristiche di fluidità dell'acqua che permettono una relativamente facile 'rottura' del legame idrogeno e di conseguenza il facile 'scorrimento' delle molecole nel contenitore.

Fin quà cosa ho sbagliato?
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[2] Re: i movimenti delle particelle nell'accumulatore al piombo

Messaggioda Foto UtenteMarcixxx » 22 set 2015, 23:28

finché nessuno mi corregge, provo ad andare avanti.

Le molecole di acqua hanno una caratteristica: 'cedono' e 'acquistano' facilmente atomi di idrogeno.
per non complicare la comprensione, anzichè definire il concetto di ph (che fa riferimento ad una soluzione di acqua), e proseguire ipotizzando che una soluzione di sola acqua ha delle infinitesime variazioni che la fanno essere al tempo stesso una base in ambiente acido e un acido in ambiente basico, sintetizzo dicendo che le molecole di acqua cedono e acquistano facilmente atomi di idrogeno

L'acqua non è una semplice miscela di molecole H2O.
Le molecole di acqua, a causa della sua stessa conformazione molecolare, di piccole variazioni di pressione e temperatura, cambiano continuamente scambiandosi atomi di idrogeno secondo la reazione:

2 [H_2O] \rightleftharpoons  [H_3O]^{+} + [OH]^{-}

autoprotolisi.png
autoionizzazione dell'acqua

Questa reazione è chiamata autoionizzazione dell'acqua.

Quindi un contenitore di acqua è una miscela di molecole di H2O, ioni H3O+ e ioni OH-, in continua trasformazione.
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[3] Re: i movimenti delle particelle nell'accumulatore al piombo

Messaggioda Foto UtentePietroBaima » 24 set 2015, 0:31

Marcixxx ha scritto:Vorrei capire quali sono le reazioni chimiche e i movimenti delle particelle che avvengono in un accumulatore al piombo.


Marcixxx ha scritto:Insomma senza scendere nel dettaglio di calcoli matematici, mi piacerebbe sintetizzare i concetti dei processi e delle reazioni che avvengono in un accumulatore al piombo e fare dei disegnini che ne semplificano la comprensione.


Eh, sarebbe bello, ma non è possibile.
Non puoi chiedere, al tempo stesso, una spiegazione a dettaglio molecolare senza entrare profondamente in ambito matematico.
Permettimi, senza volerti offendere, una risatina sui "disegnini".
Servono conoscenze di termodinamica e statistica piuttosto avanzati per fare ciò che chiedi tu.
Comunque questo non vuol dire che dobbiamo rinunciare.
Solo tieni presente che non potrai andare oltre un certo livello piuttosto basso, senza matematica.

Marcixxx ha scritto:Spesso, molte persone (io stesso) confondono ad esempio il fenomeno della solfatazione, come delle molecole di ossido di piombo che si 'attaccano' al catodo e all'anodo.

La solfatazione è un esempio di equilibrio dinamico, quindi direi che fai bene a confonderlo.

Marcixxx ha scritto:In realtà a parer mio, ad esempio nel caso dell'anodo, dovrebbe essere l'atomo di piombo che, essendo legato agli altri atomi di piombo da un legame metallico (forte), ma avendo l'orbitale esterno 'carente' in cariche negative ma che tende ad essere 'riempito', attira a se lo ione solfato e si 'trasforma' in ossido di piombo.

No. Hai presente che tipo di legame forma il Pb con lo S? Da come lo descrivi tu sembra un dativo!!!

Marcixxx ha scritto:Certo non avverranno mai le reazioni precise come avvengono nei calcoli,

Al contrario, tante più sono le molecole, tanto è più precisa la statistica descrittiva.

Marcixxx ha scritto: 'legge di azione di massa' (è una legge della chimica che dice che, un gran numero di particelle, pur agendo singolarmente in modo apparentemente casuale, possano di fatto essere ricondotte ad un modello maggiore),

Sei sicuro? Non mi pare mica...
Cos'è un "modello maggiore"?
La legge dell'azione di massa è un modello matematico (molto semplificato e di valenza macroscopica) che predice il comportamento di una miscela di {liquidi, solidi, gas} in equilibrio dinamico, asserendo che, in queste condizioni, il rapporto tra la concentrazione di reagenti e prodotti è costante.

Partiamo da qui, direi.
Ciao,
Pietro.
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[4] Re: i movimenti delle particelle nell'accumulatore al piombo

Messaggioda Foto UtenteMarcixxx » 25 set 2015, 6:09

Grazie Pietro.
PietroBaima ha scritto:Comunque questo non vuol dire che dobbiamo rinunciare.
Solo tieni presente che non potrai andare oltre un certo livello piuttosto basso, senza matematica.

Sarei molto felice se mi aiutassi.
Anni fa (tanti) studiai Chimica, ho un'infarinatura.
Anche in matematica andavo benino.

PietroBaima ha scritto:No. Hai presente che tipo di legame forma il Pb con lo S? Da come lo descrivi tu sembra un dativo!!!

Il Piombo ha orbitale atomico [Xe]4f(14) 5d(10) 6s(2) 6p(2)
Ha, nel suo orbitale atomico più esterno 6p, due elettroni spaiati.
Nell'atomo singolo non so se i due elettroni si dispongono nel px, py o pz.

Nel legame metallico ogni atomo di piombo mette in condivisione i due elettroni dell'orbitale 2p (di valenza) con tutti gli altri atomi di piombo.
Ogni atomo del composto metallico diviene ione Pb(2+) legato fortemente agli altri atomi mediante un legame che a tutt'oggi non ha una precisa definizione.
Nella storia, molti scienziati hanno ipotizzato diverse teorie, che comunque danno la stessa 'visione panoramica' di ciò che accade nel legame metallico, e cioè che c'è una fitta rete di ioni Pb(2+) legati fra di loro da una 'nube' di elettroni formata dagli elettroni di valenza di ogni singolo atomo messi in condivisione.
Gli elettroni non sono vincolati agli atomi che li hanno ceduti, ma sono contenuti in quella che la 'teoria della bande' definisce 'banda di valenza'.
La banda di valenza può essere immaginata come un orbitale molecolare che contiene gli elettroni di valenza 'ceduti' da ogni atomo di metallo.
Ad un livello energetico di poco superiore (condiviso) c'è la 'banda di conduzione', che possiamo immaginare come un orbitale vuoto, che viene usato per far migrare le cariche elettriche con un minimo di energia richiesta.
Se non ho capito male, quando si crea una differenza di potenziale tra due zone del metallo, questa differenza di energia (benchè minima) è sufficiente a far migrare gli elettroni dalla banda di valenza (in orbita nell'orbitale metallico) alla banda di conduzione (migrazione degli elettroni, la corrente elettrica).

Se non ho capito male, secondo me bisogna ricordare che:
L'elettrone non è mai stato visto, è troppo veloce e piccolo per poter essere osservato o comunque determinato (con complicatissimi calcoli, lo scienziato Heisemberg, dimostrò la teoria di indeterminazione delle particelle subatomiche agli inizi del XX° secolo).
L'orbitale atomico (e per estensione quello molecolare) non hanno una forma e dei confini precisi (anche se la teoria quantica definisce delle quantità di energie proprie di ogni orbitale), ma denota una zona dove c'è un'alta probabilità di trovare degli elettroni.
Se è già impossibile determinare il comportamento singolo degli elettroni nell'orbitale atomico più esterno (nel caso dei metalli, di valenza e di conduzione) a differenza di potenziale nulla, risulta ancora più difficile ricondurre la reale disposizione degli elettroni che sono legati agli orbitali interni in un legame metallico.
In particolare le forme geometriche che gli orbitali atomici di ogni singolo atomo di metallo assumono nel legame metallico, non sono definibili, per questo, tutte le teorie che descrivono il legame metallico lo definiscono come un legame di singoli ioni uniti in una struttura reticolare, circondati da un'orbitale molecolare delocalizzato sull'intera struttura del composto metallico (ricordando sempre che sia l'orbitale molecolare, sia lo ione stesso, non hanno un confine ben preciso ma sono zone di percentuale di probabilità inferiori al 95% di trovare l'elettrone).

Siccome a me piace fare i disegnini, mi è venuto in mente un disegnino che metto.
Non so se è giusto o sbagliato, inoltre le forze e i materiali che agiscono nella chimica sono diverse da quelle del disegno, serve solo a dare la mia idea di come le cariche elettriche si muovono nei metalli.
metalli_1.jpg
possiamo immaginare una lastra di piombo come un piano di palle incollate con sopra delle palline, se incliniamo il piano, le palline scendono, ed è come quando aumentiamo la differenza di potenziale e gli elettroni migrano attraverso il conduttore dalla zona di maggiore potenziale a quella di minor potenziale


Immaginiamo di avere su un piano tante palle adiacenti (atomi di Piombo), e nelle intersezioni delle palline piccole (elettroni).
Immaginiamo che la differenza di potenziale (volt) sia l'inclinazione del piano.
Se non vi è inclinazione le palline (elettroni) non si muovono, e non abbiamo passaggio di corrente.
Se incliniamo il piano è come aumentassimo la differenza di potenziale.
Le palline si muovono (gli elettroni passano dalla banda di valenza alla banda di conduzione e vi è passaggio di corrente elettrica).
Immaginiamo di vedere in pianta le palle:
La larghezza del piano sarà uguale all'intensità della corrente.
Più è largo il piano di palle, più ci sono palline piccole che passano contemporaneamente (Ampere).

Ora immaginiamo che alla fine del piano ci sia un altro tipo di palle che rappresentano una resistenza.
Anche questo tipo di palle può essere inclinato o meno (un materiale che offre più o meno resistenza).
Consideriamo 4 casi:
1) Bassa differenza di potenziale, alta resistenza:
Le palline (elettroni) si muovono liberamente nel conduttore (Piombo) ma si bloccano dopo pochi millimetri nella resistenza.
2) Bassa differenza di potenziale, bassa resistenza:
Le palline si muovono liberamente nel conduttore e passano attraverso la breve resistenza
3) Alta differenza di potenziale, alta resistenza:
Le palline si muovono liberamente nel conduttore e passano attraverso la resistenza anche se è grande.
Questo perché essendo il piano inclinato, 'passano tante palline (elettroni).
4) alta differenza di potenziale, bassa resistenza:
Le palline si muovono liberamente nel conduttore e passano attraverso la breve resistenza.
metalli_2.jpg
il piano di palline rosse indica la lastra di metallo, il blu la resistenza, le palline verdi gli elettroni.
Maggiore è la differenza di potenziale, più facilmente gli elettroni attraversano la resistenza.
Minore è la resistenza, più facilmente gli elettroni attraverseranno la resistenza.


Per ogni caso è valido:
Più è largo il piano di palle, più palline scendono (elettroni/Ampere passano contemporaneamente)
Questo disegnino ci fa vedere alcune cose:
-La velocità di movimento nel conduttore è sempre la stessa, non dipende dall'inclinazione, ma dalla forza di gravità (gli elettroni si muovono alla stessa velocità, sia ad una bassa differenza di potenziale sia ad un'alta differenza di potenziale).
-Più aumenta la differenza di potenziale, più aumentano le palline che tendono a 'cadere' dal piano inclinato (piombo).

Se vi fosse attinenza tra il disegno e la chimica della batteria al piombo (...) si potrebbe pensare che ad una maggiore differenza di potenziale corrisponda un maggiore afflusso di elettroni.
Oppure che ad un aumento della differenza di potenziale possa corrispondere una variazione dell'ampiezza della banda di conduzione o una variazione dell'ampiezza della banda di valenza, che si allarga verso gli orbitali elettronici inferiori, quindi ad un afflusso non solo degli elettroni dell'ultimo livello 6P, ma anche degli elettroni del livello 6S, o di quelli del gruppo 5d che sono energeticamente di poco inferiori.

Sei sicuro? Non mi pare mica...
Cos'è un "modello maggiore"?

Si, è vero, avevo studiato la legge di azione di massa nel lontano 1993.
Onestamente non ricordo granchè, solo che quando si considerano delle reazioni chimiche, dato che le molecole sono miliardi di miliardi di miliardi, non avverranno mai il 100% delle reazioni ipotizzabili.
Ad esempio in un contenitore da un litro di acqua, su milioni di miliardi di miliardi di molecole, che normalmente a causa di piccole variazioni danno luogo a normali reazioni di autoionizzazione, ci saranno condizioni tali per cui si creano delle molecole di ossigeno libero, oppure di ozono, oppure di idrogeno molecolare.
Ora la legge di azione di massa ci dice che, nonostante in un contenitore di acqua si verificano anche reazioni non contemplate nel contesto generale, o meglio maggiore (con maggiore indico le reazioni che avvengono con maggiore frequenza), si può affermare che le trasformazioni che avvengono sono 'solo' quelle di autoionizzazione, cioè:
Nonostante nel nostro contenitore ci siano molecole:
H2O
H2
O2
H3o+
OH-
O3

La legge di azione di massa ci dice che l'autoionizzazione dell'acqua riguarda solo
H2O
H3O+
OH-
perché le restanti reazioni avvengono in percentuali trascurabili, o comunque hanno rilevanza trascurabile rispetto alle reazioni principali.

Però, sinceramente ti devo confessare che, non essendo sicuro e per non scrivere cavolate, per far prima, ho copiato la definizione da wikipedia.
Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.
In fisica e chimica l'azione di massa è la teoria secondo la quale un gran numero di piccole particelle (in particolare atomi o molecole) pur agendo ciascuna individualmente di moto casuale possano di fatto essere ricondotte a un modello maggiore.


Spero di non aver scritto troppi strafalcioni.
Sono ignorante e (troppo) poco curioso.

P.S: Per i moderatori o chi ne fa le veci: se ritenete che i miei disegni sìano degli obròbri pericolosi per la cultura e l'informazione, cancellateli tranquillamente. O_/

L'intelligenza è la capacità di saper 'leggere tra le righe', ora pensare che questa capacità sia relegata unicamente a pochi individui ci fa essere molto poco intelligenti.
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[5] Re: i movimenti delle particelle nell'accumulatore al piombo

Messaggioda Foto UtentePietroBaima » 25 set 2015, 12:17

Marcixxx ha scritto:Sarei molto felice se mi aiutassi.

Se posso volentieri.
Marcixxx ha scritto:Anni fa (tanti) studiai Chimica, ho un'infarinatura.
Anche in matematica andavo benino.

Ho letto tutto quello che hai scritto.
Mi sono fatto una idea delle tue conoscenze, quello che ho capito è che tendi a darti delle spiegazioni "autonome" su fenomeni chimici che richiedono un certo impegno per essere capiti in profondità.

Non è sbagliato ragionare, anzi, ma prima bisogna consolidare quello che si immagina, quello su cui si è
ragionato, con la cultura generale, che necessariamente arriva dalla letteratura per capire se le proprie supposizioni hanno dei riscontri oggettivi o no.

Se posso sbilanciarmi, senza volerti offendere naturalmente, hai una posizione molto ingenua su quello che capita davvero all'interno di un sistema chimico in generale, ancora prima che in quello della reazione specifica che vuoi capire.
Più che descriverti la reazione Zolfo Piombo, secondo me, dovresti studiarti un pochino di chimica.
La materia che spiega i meccanismi di azione delle reazioni chimiche si chiama "Chimica Fisica" oppure, come la chiamano i chimici "Chimica teorica".

Se mi dici cosa hai studiato e cosa sai di matematica potrei anche cercare di trovare un libro adeguato a quello che vuoi sapere.

Comunque apprezzo, senza dubbio, l'impegno profuso per scrivere i tuoi post. Se ti impegni così su un libro di chimica fisica la imparerai in breve. :D

Fammi sapere.

Ciao,
Pietro.

PS: ho letto quella pagina di Wikipedia. Non la commento, per ovvi motivi legati al famoso velo pietoso, ma ti suggerisco di leggerti quella in inglese. :roll:
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[6] Re: i movimenti delle particelle nell'accumulatore al piombo

Messaggioda Foto UtenteSjuanez » 25 set 2015, 13:11

Mi aggiungo alla interessante discussione con soltanto una nota, appresa da un libro:

Dice che in buona sostanza, i modelli "a palline" o a "sostanza vischiosa" nella comprensione della dinamica degli elettroni in un conduttore sono ecco... proprio tipo quando mamma ti raccontava che piove perché le nuvole sbattono tra loro.

Una cosa molto più vicina alla realtà di quello che succede (si crede) è il modello quantistico, ma per capirlo bisogna faticare non poco, suppongo.

Insomma, la tua Foto UtenteMarcixxx è una curiosità leggittima, ma più vai a fondo, e più fatichi a capire e la cosa richiede il suo tempo. Io mi sono fermato, per il momento, alle palline. Che mi bastano.

Buono studio.
O_/ O_/ O_/
Più so e più mi accorgo di non sapere.

Qualsiasi cosa abbia scritto, tieni presente che sono ancora al mio primo rocchetto di stagno.
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[7] Re: i movimenti delle particelle nell'accumulatore al piombo

Messaggioda Foto UtenteMarcixxx » 25 set 2015, 17:26

PietroBaima ha scritto:Se posso sbilanciarmi, senza volerti offendere naturalmente, hai una posizione molto ingenua su quello che capita davvero all'interno di un sistema chimico in generale, ancora prima che in quello della reazione specifica che vuoi capire.

Non mi offendo assolutamente, mi hai praticamente fatto una perfetta 'radiografia'.
Centro. (molto bravo)
Venti anni fa preparai l'esame di Chimica generale ad ingegneria, ma non l'ho mai dato.
Ultimamente mi sono scaricato le videolezioni 'Nettuno' della docente Manotti Lanfredi del campus di Parma e alcuni volumi in pdf.

La matematica la comprendo, ma non l'ho mai studiata, non ho le basi.
Penso che alcune persone riescono ad arrivare alla lettera d senza passare da b e c, mentre altri ci arrivano passando da b e c.

PietroBaima ha scritto: tendi a darti delle spiegazioni "autonome" su fenomeni chimici che richiedono un certo impegno per essere capiti in profondità

Hai colto in pieno il mio modo di ragionare Pietro.

Immagino che per leggere tutta sta pappardella hai impiegato molto del tuo tempo, te ne ringrazio molto.
Scusami se approfitto della tua disponibilità, ma c'è un particolare argomento del quale mi sono fatto un'idea e che vorrei tu mi aiutassi a capire in cosa ho sbagliato.
La propagazione delle onde elettromagnetiche.
In particolare il dualismo onda corpuscolo.
Però, dato che scriverò strafalcioni, non inquino questa discussione che è già abbastanza incasinata.
E aprirò una nuova discussione.
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[8] Re: i movimenti delle particelle nell'accumulatore al piombo

Messaggioda Foto UtentePietroBaima » 25 set 2015, 21:26

Marcixxx ha scritto:Venti anni fa preparai l'esame di Chimica generale ad ingegneria, ma non l'ho mai dato.
Ultimamente mi sono scaricato le videolezioni 'Nettuno' della docente Manotti Lanfredi del campus di Parma e alcuni volumi in pdf.

Mi sembra che siano un ottimo punto di inizio.
Seguile bene e cerca di capirle a fondo.
Chimica generale e Chimica inorganica (non so se ad ingegneria siano due esami separati oppure uno solo) costituiscono le basi fondamentali della chimica. Non puoi assolutamente non conoscerle.

Marcixxx ha scritto:Immagino che per leggere tutta sta pappardella hai impiegato molto del tuo tempo, te ne ringrazio molto.

Nessun problema.

Marcixxx ha scritto:Scusami se approfitto della tua disponibilità, ma c'è un particolare argomento del quale mi sono fatto un'idea e che vorrei tu mi aiutassi a capire in cosa ho sbagliato.

Mi sa che stai mettendo troppa carne sulla brace.
Meglio fare una cosa per volta, direi.

Marcixxx ha scritto:La propagazione delle onde elettromagnetiche.
In particolare il dualismo onda corpuscolo.
Però, dato che scriverò strafalcioni, non inquino questa discussione che è già abbastanza incasinata.
E aprirò una nuova discussione.

Quindi gli argomenti sono due, non uno ;-)
Meglio, se apri un'altra discussione.
Però io mi permetto di insistere: sarebbe molto meglio che tu facessi una cosa per volta.

Ciao,
Pietro.
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[9] Re: i movimenti delle particelle nell'accumulatore al piombo

Messaggioda Foto UtenteMarcixxx » 25 set 2015, 21:43

PietroBaima ha scritto:sarebbe molto meglio che tu facessi una cosa per volta.

Hai ragione, meglio continuare questa discussione.
Purtroppo devo fare una pausa di qualche giorno.
Grazie Pietro.
Grazie anche a te Sjuanez.
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[10] Re: i movimenti delle particelle nell'accumulatore al piombo

Messaggioda Foto UtenteSjuanez » 25 set 2015, 21:51

:ok: E' stato un piacere, ho solo riportato quello che ho letto.

Anche io mi scontro con la voglia di capire a fondo le cose e con l'impegno necessario per farlo. Ho capito che bisogna fidarsi un po dei modelli noti come buone approssimazioni del fenomeno e da lì andare avanti con la consapevolezza di sapere dell'argomento solo quello che in quel momento si necessita.

Poi se la curiosità è davvero così forte che ci spinge a scavare, armiamoci di tanti libri dell'ottimo Foto UtentePietroBaima (che dio benedica la sua disponibilità) e proviamoci!

Da parte mia, ora sono interessato all'elettronica, e non vorrei scivolare verso altro che mi prenderebbe tutte le energie, ma alla fine: chi è padrone della propria curiosità? :mrgreen:

A presto! O_/ O_/ O_/
Più so e più mi accorgo di non sapere.

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