Elettrostatica

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ELETTROSTATICA

Introduzione
Tra tutti i tipi di forza che abbiamo incontrato in meccanica, solo la forza peso e quella di gravitazione universale derivano dalla proprietà delle masse di attirare altre masse. Tutte le altre forze, quella elastica, le reazioni vincolari, le forze di attrito, la tensione nelle funi, ecc., altro non sono che manifestazioni dell’interazione elettromagnetica.
Nella vita di tutti i giorni è però la forza peso quella di cui ci accorgiamo di più, non fosse altro per la fatica che bisogna fare per sollevare pesi, salire e scendere scale, ecc. Anche nell’antichità, del resto, l’esistenza di una proprietà non spiegabile in termini di forza gravitazionale era stata notata solo per il fatto che pezzi di ambra (electron in greco, da cui poi il nome di elettricità), strofinati con un panno, erano in grado di attirare minuscole particelle di foglie secche o di polvere. La forza di interazione tra l’ambra e le particelle attirate era sorprendentemente intensa, riusciva, infatti, a vincere la forza peso e ad accelerare verso l’alto le particelle di polvere.

La carica elettrica
Il fatto che le interazioni elettromagnetiche, pur essendo molto più intense delle forze di interazione gravitazionali, si pensi che la forza elettrostatica tra due protoni è 1040 volte più grande della loro interazione gravitazionale, siano rimaste nascoste, direi quasi soffocate, dalla forza peso, dipende da una misteriosa simmetria della natura: la carica esiste in due tipi diversi a cui convenzionalmente è stato attribuito il nome di positiva e negativa.
Al contrario quindi della massa, che è tutta dello stesso tipo e, per questo motivo, tutti i corpi che possiedono una massa si attirano l’uno con l’altro, la carica elettrica esiste in due forme diverse:
cariche dello stesso tipo si respingono, cariche di tipo diverso si attraggono. I corpi che contengono un’eguale quantità di carica dei due tipi, si dicono neutri, hanno una carica complessiva nulla e non subiscono, né esercitano, forze elettriche. Questa è la condizione normale dei corpi che ci circondano: essi contengono tanta carica positiva quanta negativa. È questa perfetta simmetria che nasconde i fenomeni elettrici.
La carica elettrica è una proprietà delle particelle che costituiscono gli atomi.
Con questo termine, si identificano i mattoni che costituiscono le molecole. Queste ultime rappresentano l’elemento indivisibile che conserva ancora tutte le proprietà della sostanza in esame. Molte sostanze hanno molecole costituite da singoli atomi. Come abbiamo già discusso, nel caso di alcune sostanze che alla temperatura ambiente sono solide, gli atomi sono organizzati in una struttura ordinata che costituisce il reticolo cristallino.
Dalla discussione sulla struttura atomica risulta che la carica elettrica è trasportata dalle particelle che costituiscono gli atomi in particolare dai protoni e dagli elettroni. Abbiamo anche visto che sia i protoni che gli elettroni trasportano la stessa carica ma di segno opposto:

carica elettrica elementare: e = 1.6·10-19C

Non è stata trovata finora alcuna particella avente una carica più piccola della carica dell’elettrone.
Quindi la carica elettrica è quantizzata, cioè ogni altra carica elettrica sarà un multiplo intero della carica dell’elettrone.
In un sistema isolato, la somma delle cariche positive e negative si mantiene costante. Tale enunciato esprime la legge di conservazione della carica elettrica

Fenomeni di elettrizzazione
Se gli atomi di un corpo acquistano o perdono elettroni, il corpo stesso risulta possedere rispettivamente un eccesso di cariche negative o di cariche positive e quindi risulta elettrizzato.
Un corpo si dice elettrizzato se al suo interno viene a mancare l'equilibrio tra elettroni e protoni, cioè tra cariche negative e cariche positive.
Un corpo può essere elettrizzato in vari modi:per strofinio, per contatto e per induzione.

Elettrizzazione per strofinio:
Certi corpi hanno la proprietà di elettrizzarsi se vengono strofinati con un panno di lana.
Questo metodo viene detto elettrizzazione per strofinio.
Strofinando con un panno di lana il vetro o materiale simile al vetro, in essi si manifesta elettricità positiva: durante lo strofinio si ha un trasferimento di elettroni dal vetro alla lana, perciò il vetro risulta elettrizzato positivamente mentre la lana negativamente.
Strofinando con un panno di lana l' ebanite o sostanze simili, in esse si manifesta elettricità negativa: in questo caso avviene il trasferimento di elettroni dalla lana all' ebanite, perciò quest’ultima risulta elettrizzata negativamente, mentre la lana positivamente

Elettrizzazione per contatto:
L' elettrizzazione per contatto consiste nell' elettrizzare un corpo neutro ponendolo a contatto con uno carico.
Se disponiamo di un oggetto elettricamente carico e lo portiamo a contatto con un corpo neutro attraverso la zona di contatto avviene il trasferimento di un certo numero di cariche elettriche dal primo corpo al secondo.
Poichè subito dopo il passaggio i due corpi presentano elettricità dello stesso segno, essi tenderanno a respingersi.

Elettrizzazione per induzione:
L'elettrizzazione per induzione consiste nel produrre una separazione di cariche in un corpo neutro avvicinando ad esso un corpo carico.
Se accostiamo una bacchetta di vetro, oppure una bacchetta di ebanite elettrizzate a dei pezzetti di carta, questi in entrambi i casi vengono attratti dalla bacchetta.
Questo fenomeno avviene perchè un corpo carico, cioè elettrizzato, è in grado di elettrizzare un corpo neutro, cioè di provocare in quest’ultimo una separazione di cariche per semplice avvicinamento, cioè senza che vi sia stato passaggio diretto di cariche nei due corpi.

Conduttori e isolanti
Rispetto alla capacità di trasportare le cariche elettriche, i materiali possono essere classificati in conduttori e isolanti.
Si chiamano conduttori le sostanze in cui le cariche si possono muovere liberamente, mentre si chiamano isolanti tutte le sostanze in cui le cariche non si possono muovere o si muovono con grande difficoltà.
Sono conduttori tutti i metalli, gli organismi viventi e la grafite; sono isolanti la plastica, il vetro e il legno. I conduttori non possono essere elettrizzati per strofinìo.
Ripetendo l' esperimento d' elettrizzazione per strofinìo con una forchetta metallica, invece che con l' ebanite, si osserva che i pezzettini di carta non vengono attratti.
Possiamo strofinare il metallo della forchetta con la lana quanto vogliamo, ma non sarà possibile esercitare nessuna forza verso la carta.
Questo accade perchè i metalli disperdono velocemente le cariche elettriche acquisite con lo strofinìo. Le cariche infatti si disperdono nel terreno, passando attraverso la mano, il braccio e il corpo di chi l'impugna.
Nei conduttori gli elettroni sono liberi di muoversi. La causa del comportamento dei conduttori risiede nella struttura dei loro atomi. Gli elettroni non sono fortemente legati ai loro nuclei ma possono muoversi da un atomo all' altro. E' proprio il movimento libero degli elettroni a conferire ai conduttori la proprietà di trasportare l' elettricità.
Negli isolanti gli elettroni sono legati al loro nucleo e difficilmente possono spostarsi da un punto all' altro.

La legge di Coulomb

La forza di attrazione o di repulsione tra due corpi puntiformi carichi elettricamente è direttamente proporzionale al prodotto delle cariche possedute dai due corpi e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza.

k0 = 9·109 N·m2/C2 Calcolata ne vuoto.

In generale si è portati ad utilizzare un’altra costante, detta costante dielettrica del mezzo considerato: e = 1/4·p·k
mentre con e0 = 1/4·p·k0 si indica la costante dielettrica nel vuoto

er = e / e0 si indica la costante dielettrica relativa ed è sempre maggiore di 1.
e0= 8,85·10-12 C2/N·m2

e = e0·er

Principio di sovrapposizione

Nel caso in cui la forza agente su una carica q sia dovuta all’azione concomitante di più cariche qi, tale forza sarà data dalla somma vettoriale di tutte le forze dovute alle interazioni delle singole cariche qi con la carica q in esame. Nel caso di tre sole cariche q, q1,q2 abbiamo che:

Campo elettrico

La forza di Coulomb è una forza che agisce a distanza: non è richiesto il contatto tra le due cariche perché esse interagiscano.
Il fatto che la forza di Coulomb debba soddisfare la terza legge di Newton anche quando le distanze tra le cariche sono grandi, porta al seguente interrogativo: come è possibile che le due forze di azione e reazione siano, nello stesso istante, uguali ed opposte, se noi sappiamo che la massima velocità con cui si riesce a far viaggiare l’informazione da un punto ad un altro dello spazio è la velocità della luce, che è una velocità molto grande ma comunque finita?
Si supera questa difficoltà concettuale introducendo il concetto di campo.
Supponiamo sempre di avere la carica q1 nell’origine del sistema di riferimento. La sua presenza assegnerà a tutti i punti dello spazio (vuoto) una proprietà: ogni punto è caratterizzato dalla forza che risente la carica unitaria posta in quel punto. Così quando ad un certo istante noi andiamo a mettere la carica q nella posizione individuata dal vettore posizione r, non sarà necessario sapere, per valutare la forza che agisce sulla carica q, se in quello stesso istante la carica q1 si trovi ancora nell’origine, ma basterà conoscere il valore del campo elettrico in quell’istante nella posizione in cui andiamo a mettere la carica q, e moltiplicare il suo valore per quello della carica q. La forza dipenderà quindi dalle proprietà locali del campo e non già dall’effettiva posizione in
quell’istante della carica q1.
L’introduzione del concetto di campo aiuta anche ad inquadrare correttamente la terza legge di Newton con la velocità finita della luce.
Supponiamo infatti che la carica q1 si sia spostata molto rapidamente dall’origine in una nuova posizione. A seguito di questo spostamento occorrerà correggere tutti i valori del campo
elettrico in tutti i punti dello spazio, in quanto sono cambiati, a causa dello spostamento della carica, sia la direzione sia il modulo del campo elettrico in tutti i punti dello spazio. Questa correzione
non viene effettuata nello stesso istante per tutti i punti dello spazio, ma gradatamente.
Infatti, nel momento in cui è avvenuto lo spostamento della carica q1, parte l’informazione che si diffonderà in tutte le direzioni con velocità della luce c. Una volta trascorso un intervallo di tempo Dt, l’informazione avrà raggiunto una distanza dalla nuova posizione della carica q1 pari a cDt.
Tutti i punti che si trovano ad una distanza più piccola di cDt, saranno stati raggiunti dall’informazione e, quindi, il valore del campo elettrico sarà stato aggiornato per tener conto della nuova posizione della carica, mentre i punti più distanti, non ancora raggiunti dall’informazione, si comporteranno come se la carica q1 fosse ancora nell’origine del sistema di riferimento. Naturalmente l’effetto sulla carica q, quando occupa una ben determinata posizione dello spazio, dipenderà dal valore locale del campo elettrico. Si intuisce da questo esempio che il campo elettrico acquista una sua personalità e, si può aggiungere, quasi una indipendenza dalle cariche che lo hanno
generato. Quello che a noi interessa è sapere qual è il valore del campo elettrico in una certa posizione e non la distribuzione delle cariche che lo ha generato: questo è sufficiente per determinare gli effetti su una qualsiasi carica che andiamo a mettere in quella posizione.

Il vettore campo elettrico E, generato da una carica Q, in un punto P, è uguale al rapporto tra la forza elettrica che agisce su una carica di prova q, positiva, posta nel punto P, e la carica di prova stessa.

Nel caso di più cariche elettriche si può utilizzare il principio di sovrapposizione, il quale afferma che il campo elettrico dovuto a più cariche si trova facendo la somma dei campi elettrici delle singole cariche prese come se fossero isolate.

Linee di campo

La visualizzazione di un campo elettrico è piuttosto complicata: per ogni punto dello spazio dobbiamo immaginarci un vettore che, come sappiamo, è caratterizzato da tre informazioni distinte (modulo, direzione e verso).
Un’efficace rappresentazione del campo elettrico è quella che fa uso delle linee di forza (o linee di campo).
Per linea di forza si intende una curva che è tangente al campo elettrico in ciascuno dei suoi punti.
Due linee di forza non potranno mai intersecarsi. Infatti il campo elettrico in un particolare punto dello spazio, in condizioni stazionarie, è perfettamente definito. Viceversa se due linee di forza si intersecassero, significherebbe che la direzione del campo elettrico, dovendo essere tangente alle due linee di forza contemporaneamente, non è univocamente determinata. Da qui l’assurdo. Quindi due linee di forza non potranno mai intersecarsi.
Regole per interpretare la rappresentazione del campo elettrico con le linee di forza:
1. Le linee di forza indicano la direzione del campo elettrico. In ogni punto della linea di forza il campo elettrico è tangente alla linea di forza.
2. Le linee di forza nascono dalle cariche positive (o all’infinito) e muoiono su quelle negative (o all’infinito). Il numero di linee che nascono o muoiono è proporzionale alla carica.
3. La densità di linee di forza è proporzionale all’intensità del campo elettrico.
Nella figura sono mostrate le linea di forza relative ad
a) una carica puntiforme posta nell’origine
b) due cariche di segno opposto poste ad una certa distanza tra esse
c) due cariche dello stesso segno.

Flusso di un campo elettrico

Consideriamo una superficie chiusa S posta in un campo elettrico. Immaginiamo di suddividere tale superficie in tanti piccoli elementi ΔS. Gli elementi in esame debbono avere dimensioni tali per cui in ogni loro punto il valore del campo elettrico perpendicolare alla superficie ΔS, si definisce flusso del campo elettrico attraverso la superficie ΔS la grandezza scalare:
ΔF = En· ΔS = E· ΔS·cos a

Il valore del flusso attraverso l’intera superficie S è dato dalla somma del valore dei flussi attraverso tutti gli elementi cui è stata suddivisa la superficie S:

F(E) = ΔF1+ ΔF2 +…..+ ΔFn = En1· ΔS1+ En2· ΔS2+.....+ Enn· ΔSn

Un analogia interessante la si trova nell’idrodinamica: l’acqua che scorre lungo un torrente è dotata di una certa velocità, se si considera una sezione di tale torrente di area A, il flusso che attraversa tale sezione è dato da F(v) = vn·S . Tale valore rappresenta la portata di acqua che passa attraverso la sezione S, quindi è la quantità totale di acqua che l’attraversa.

Teorema di Gauss

Consideriamo una carica puntiforme q e una sfera di raggio r il cui centro coincide con il punto in cui è posta la carica in esame. Il flusso F(E) attraverso la superficie sferica S è espresso come:

F(E) = E·S

Dato che E =

Generalizzando a qualunque superficie si ottiene il teorema di Gauss:
Il flusso del campo elettrico attraverso una qualunque superficie chiusa è dato dal rapporto tra la carica q contenuta entro la superficie e la costante dielettrica del mezzo in cui si opera.

Potenziale elettrico

Consideriamo un campo elettrico uniforme nello spazio, se poniamo una carica q in questo campo essa sarà soggetta ad una forza che tenderà a farla muovere, quindi ci sarà un lavoro fatto dal campo sulla carica.

L = F·s = q·E·s

Dato che il campo elettrico è in grado di compiere lavoro si dice che una carica q posta in un punto A possiede una certa energia potenziale elettrica UA. Supponiamo ora di voler portare la carica q da un punto A ad un punto B del campo, la differenza delle energie potenziali elettriche tra due punti dello spazio UA-UB, rappresenta il lavoro necessario per spostare la carica elettrica tra i due punti. L’energia potenziale elettrica si misura in Joule.

L = UA-UB

L’energia potenziale elettrica dipende dalla posizione della carica q, ma anche dal suo valore.

E’ tuttavia possibile definire una nuova funzione, il potenziale elettrico, dato dal rapporto dell’energia potenziale elettrica e la carica q.

Il potenziale elettrico, così come il campo elettrico, è indipendente dalla carica di prova q, ma dipende solamente dalla carica sorgente del campo e dalla sua posizione.
La differenza di potenziale VA-VB tra due punti di un campo elettrico è numericamente uguale al lavoro che bisogna compiere per trasportare una carica unitaria da un punto all’altro.

Nel S.I. l’unità di misura del potenziale elettrico è il Volt = 1 Joule / 1 Coulomb
Quindi tra due punti c’è una differenza potenziale di 1 V quando per trasportare la carica di 1 coulomb da un punto all’altro bisogna compiere il lavoro di 1 Joule.
Nel caso in cui ci trovassimo in un campo elettrico uniforme, il legame tra campo elettrico e potenziale è il seguente:

Con s spostamento da AàB

Superfici equipotenziali
Così come è utile rappresentare il campo elettrico attraverso linee di campo, così è utile rappresentare graficamente l’andamento del potenziale con superfici equipotenziali:
Una superficie equipotenziale è il luogo dei punti aventi uno stesso valore del potenziale.
Lungo una tale superficie il potenziale è costante e quindi il lavoro per muovere una carica è nullo.

Capacità elettrica

La capacità di un conduttore è la quantità massima di carica elettrica che esso può accumulare se sottoposto ad una certo potenziale.

; l’unità di misura è il Farad = Coulomb / Volt
Quando più la capacità è grande, tanta più la carica si può accumulare nel conduttore a parità di differenza di potenziale.

Condensatore piano

Un condensatore piano è formato da due lastre metalliche parallele, elettrizzate con cariche uguali e opposte, sistemate ad una distanza d piccola rispetto alla loro estensione.
All’interno di un condensatore piano si ha:

il campo elettrico è uniforme e perpendicolare alle lastre (dette armature del condensatore)
la differenza di potenziale tra le armature è direttamente proporzionale al valore del campo elettrico:

La capacità di un condensatore è data da:
S è la superficie dell’armatura del condensatore.

Fonte: http://digilander.libero.it/quantum2008/APPUNTI/ELETTROSTATICA.doc
Autore: non indicato nel documento (Prof. Cimmino ?)

Elettrostatica

(Bissoni Chiara, Nanni Enrico, Paci Marina, Taviani Davide)

L'elettrostatica è una branca della fisica che tratta delle forze esercitate da un campo elettrico stazionario (che non cambia nel tempo) su corpi carichi. Il comportamento della forza tra cariche puntiformi è descritto dalla legge di Coulomb formulata verso la fine del Settecento; questa afferma che la forza elettrostatica tra due cariche è direttamente proporzionale al prodotto di esse e inversamente proporzionale al quadrato della distanza.

Obiettivo: studio del campo elettrico generato da diversi sistemi nei quali agiscono cariche puntiformi e armature.

Procedimento: L’esperimento si è suddiviso in varie fasi, in ognuna delle quali si è studiato il campo elettrico e la forma che esso assumeva, a seconda della distribuzione delle cariche nel sistema. Complessivamente, in questa esperienza si è utilizzata la macchina di Wimshurst per generare le varie cariche, cavi metallici per trasferirle al sistema, un piccolo cilindro di vetro trasparente riempito con olio molto denso, nel quale era stato versato del semolino, infine, per simulare una carica puntiforme, è stata utilizzata una piccola sferetta metallica, e successivamente, un'armatura metallica per osservare cariche distribuite in maniera lineare.

Nota: Poiché si è scelto come punto di riferimento la carica positiva, nelle illustrazioni le linee di forza risultano uscenti da essa e dirette alla carica negativa.

La prima osservazione era caratterizzata dalla presenza di una carica puntiforme positiva al centro del cilindro, il cui bordo era caricato negativamente, per accentuare i risultati e rendere più visibile le linee di forza del campo elettrico. Come si può notare dall'illustrazione a fianco, le linee di questo si dispongono radialmente.

In seguito si è osservato il campo elettrico in presenza di due cariche puntiformi opposte, disposte a uguale distanza dal centro del cilindro, in modo da creare un dipolo elettrico. Come si può notare, le linee di forza formano curve chiuse, maggiormente fitte nello spazio fra le due cariche, causate dalla maggiore interazione fra esse. Localmente, ovvero vicino ad ogni carica, si può osservare come la disposizione sia radiale.

Successivamente si è osservato il comportamento del campo elettrico in presenza di due cariche puntiformi dello stesso segno. Il bordo del cilindro era carico negativamente per accentuare i risultati.

Dall'illustrazione si evince come le linee di forza si dispongano in modo da risultare alla maggior distanza possibile, perché per definizione sono sempre tangenti al campo elettrico, e quindi, poiché

La forza elettrica in ogni punto può puntare in una sola direzione, non si possono intersecare.

A questo punto, si è proceduto analizzando il comportamento del campo elettrico in presenza di una lastra metallica detta armatura, che ha la particolare caratteristica di avere una lunghezza molto maggiore delle altre due dimensioni.

Lungo la dimensione maggiore dell'armatura, le cariche escono perpendicolarmente e sono tutte parallelle fra di loro. Alle estremità, a causa del poco spessore dell'armatura, le linee si dispongono radialmente, come se fosse presente una singola carica puntiforme.

Successivamente si è analizzato il campo elettrico con due armature di carica opposta.

Questo sistema viene definito condensatore a facce piane e parallele, poiché le linee del campo elettrico sono condensate fra le due armature. Se l'armatura avesse lunghezza infinita, non vi sarebbero linee di forza all'esterno del condensatore.

Ora, le armature prese in esame, che hanno carica opposta, non sono disposte parallelamente.

Poiché, come abbiamo dedotto dalle precedenti esperienze, le linee sono perpendicolari alle armature localmente, non possono essere dritte da un'armatura all'altra, ma devono curvare.

Le cariche analizzate, sono una puntiforme negativa e un'armatura positiva.

Le linee del campo elettrico provenienti dall’armatura convogliano verso la carica puntiforme, e si nota come vicino a quest'ultima, si dispongano in modo radiale.

Infine, un anello di metallo carico positivamente è stato inserito all’interno del cilindro, il cui bordo è ancora una volta negativo.

Il campo elettrico, nello spazio fra i due cerchi, si dispone radialmente rispetto al centro di essi. All'interno dell'anello minore non si vede alcun campo elettrico.

Gabbia di Faraday:

La gabbia di Faraday è un conduttore cavo, in grado di isolare l'ambiente interno da qualunque campo elettrostatico presente al suo esterno, per quanto intenso questo possa essere.
Per sperimentare questo potere isolante abbiamo usufruito di un elettroscopio: questo strumento consta di un pomello metallico collegato, tramite un'asta metallica, a due sottili lamine. Queste ultime sono racchiuse in un recipiente di vetro per evitare il disturbo da parte di correnti d'aria; avvicinando al pomello metallico un corpo caricato elettricamente, ad esempio una bacchetta di plastica strofinata con un panno di lana, le due lamine divergono, poiché la vicinanza del corpo elettricamente carico richiama sul pomello le cariche elettriche di segno opposto alla bacchetta, quindi sulle lamine si concentrano cariche dello stesso segno facendo sì che esse si respingano.
Poiché si è posizionato questo strumento sotto la gabbia di Faraday, e, avvicinando una bacchetta caricata per strofinio al pomello metallico, le due lamine sono rimaste al proprio posto, da ciò si può intuire come l'elettroscopio non abbia minimamente risentito della carica della bacchetta.

La gabbia di Faraday oltre a schermare i campi elettrici, ha lo stesso effetto sule elettromagnetiche, purché la loro lunghezza d'onda sia maggiore delle aperture che costituiscono la griglia. A dimostrazione di ciò, si è posizionata una comune radio accesa sopra una lastra metallica, e successivamente il tutto è stato ricoperto dalla gabbia di Faraday. La lastra metallica era stata posizionata in modo da schermare eventuali onde provenienti dalla superficie sottostante la gabbia, sulla quale essa non ha potere isolante. La radio, a dimostrazione di quanto avevamo supposto, sembrava non funzionare una volta posizionata sotto la gabbia, poiché non riceveva alcun segnale radio.

Si è provato il medesimo esperimento con un cellulare di ultima generazione, ma poiché le onde elettromagnetiche da esso prodotte e ricevute hanno una frequenza molto alta, di circa 3GHz, la loro lunghezza d'onda è molto piccola rispetto alle fenditure presenti nella gabbia. Quindi, il cellulare non risentiva minimamente dell'effetto isolante di questa.

Fonte: http://www.andvari.it/docs/elettro2.doc

Autori : (Bissoni Chiara, Nanni Enrico, Paci Marina, Taviani Davide)

ESPERIENZE ELEMENTARI DI ELETTROSTATICA(*)

Il pendolino elettrico.Una pallina di carta stagnola sospesa a un filo costituisce un pendolino elettrico. Avvicinando una bacchetta di vetro elettrizzata per strofinio (vedi fig.1a), la pallina viene dapprima attratta, poi decisamente respinta appena ha toccato il vetro: col contatto, essa ha ricevuto una parte della carica elettrica del vetro.

Un secondo pendolino (vedi fig.1b) si comporta allo stesso modo, ma con una bacchetta di ebanite elettrizzata: dopo il contatto ancora repulsione.

Avvicinati tra loro i due pendolini precedentemente elettrizzati manifestano reciproca attrazione (fig.1c).
L’esperienza, ripetuta usando bacchette di altri tipi di materiale strofinate dimostra che:

esistono due tipi di elettricità, quella che si desta nel vetro, o nei corpi che si comportano come il vetro, viene chiamata “vitrea”o elettricità positiva; quella che si desta nell’ebanite, o nei corpi che si comportano come l’ebanite, viene chiamata “resinosa” o elettricità negativa. L’elettricità negativa e quella positiva, in dosi uguali (cariche uguali) nello stesso corpo, si comportano come quantità misurate da numeri opposti ( la loro somma è zero): quel corpo assume infatti lo stato elettricamente neutro. Ecco perché si attribuisce un “segno” alle cariche elettriche.

cariche dello stesso tipo si respingono e cariche di tipo diverso si attraggono
la forza di attrazione o repulsione diminuisce rapidamente con la distanza che separa i corpi interagenti
tutti i corpi sono elettrizzabili per strofinio, tuttavia usando bacchette metalliche le esperienze non riescono se non si ha cura di evitare ogni contatto delle mani col metallo, e perciò bisogna separare tali bacchette dalle mani dell’operatore , usando un manico di vetro o di plastica. Impugnandole direttamente, si ha ragione di ritenere che l’elettricità suscitata per strofinio nel metallo venga dispersa fino a terra attraverso le mani e il corpo dell’operatore.

L’ultima osservazione permette di stabilire che, dal punto di vista elettrico, i materiali possono essere classificati in due categorie: quelli in cui le cariche elettriche possono spostarsi da un punto all’altro di un corpo, e quelli in cui le cariche non sono libere di spostarsi (rimangono localizzate nella regione dove è avvenuto lo strofinio). I materiali che appartengono alla prima categoria si chiamano conduttori; quelli che appartengono alla seconda categoria si chiamano isolanti o dielettrici.
Allora basta toccare con un dito in un punto qualsiasi una bacchetta metallica elettrizzata per scaricarla completamente, mentre se si fa la stessa cosa con una bacchetta di materiale isolante, solo la carica presente nel punto toccato viene eliminata; per scaricarla completamente bisogna far passare il palmo della mano su tutta la superficie del corpo.

La teoria atomica stabilisce che nei conduttori metallici alcuni degli elettroni periferici degli atomi godano di una certa libertà (elettroni di conduzione), così da potersi spostare da un atomo all’altro. In un conduttore metallico, elettrizzato negativamente, la mobilità si riferisce evidentemente agli elettroni in eccedenza; se invece è elettrizzato positivamente, la mobilità delle cariche elettriche positive consiste in un trasferimento da un atomo all’altro dello stato positivo causato dalla carenza di qualche elettrone (lacuna): cioè un atomo che manca di qualche elettrone lo sottrae ad un atomo vicino, colmando la propria lacuna e creandone una nuova, che nello stesso modo può passare a un altro atomo. Il trasferirsi di atomo in atomo di tali lacune, sempre prodotto da effettivo moto di elettroni di conduzione, equivale ad un moto virtuale di cariche positive.

Invece le sostanze isolanti sono costituite da molecole neutre o ioni che non possono spostarsi liberamente. Sotto l’azione delle forze elettriche, le cariche delle molecole o ioni degli isolanti si spostano leggermente o variano semplicemente il loro orientamento. Per esempio accostando a dei pezzettini di carta una penna a sfera di plastica strofinata sulla manica della giacca, le molecole presenti nella carta , senza spostarsi, si orientano in modo tale che in direzione della penna si dispongono le cariche di segno contrario alla penna – che determinano l’immediata attrazione della carta da parte della penna - e in direzione opposta quelle di ugual segno. Questo stato del corpo si chiama polarizzazione del dielettrico

Induzione elettrostatica.In un conduttore metallico la mobilità delle cariche elettriche si manifesta nel fenomeno dell’induzione elettrostatica. Ogni volta che a un conduttore metallico, isolato e allo stato neutro, viene avvicinato un corpo elettrizzato, il conduttore si elettrizza a sua volta per induzione, caricandosi di segno contrario a quella del corpo induttore nella parte più vicina a questo e di elettricità dello stesso segno nella parte più lontana. Se il corpo induttore viene allontanato, il conduttore metallico (l’indotto) ritorna al primitivo stato neutro. Con l’induzione elettrostatica si spiega il comportamento del pendolino elettrico, che da una bacchetta elettrizzata viene dapprima attratto e successivamente respinto.

Infatti con l’avvicinamento del corpo elettrizzato A si produce l’induzione sul pendolino e in questo la carica indotta di segno contrario, più vicina ad A, subisce una attrazione più forte della repulsione della carica indotta di segno uguale, più lontana (fig2a e 2b). Durante il contatto con A la carica indotta che produce attrazione viene neutralizzata e il pendolino assume della carica di ugual segno di A: da ciò la repulsione (fig.2c).

L’elettroscopio. Al posto del pendolino si può usare un rivelatore più sensibile dello stato elettrico: l’elettroscopio a foglie. Esso è formato da due sottilissime strisce d’oro (le foglie) sospese ad una asticella metallica, terminante con una sferetta (pomo dell’elettroscopio) o un piattello, il tutto fissato a una custodia metallica collegata a terra dalla quale è bene isolato, mediante un manicotto di plastica.Un elettroscopio si elettrizza sia per contatto diretto col corpo elettrizzato che per induzione. Nel primo caso (fig.3c) il corpo elettrizzato A cede una parte della propria carica: le foglie divergono, e restano divergenti anche allontanando A. Per farle “ricadere”, basta “scaricare” l’elettroscopio, toccandone il pomo con la mano. Nel secondo caso (fig3d) le foglie ricadono appena si allontana A.

Un elettroscopio, elettrizzato con carica di segno noto, può rivelare anche il segno della elettrizzazione di un dato corpo A avvicinato all’elettroscopio in modo da agire per induzione: se A è elettrizzato con carica di ugual segno, la divergenza delle foglie aumenta perché sulle foglie (parte più lontana da A) si aggiungono le cariche indotte (fig.4b); nel caso opposto la divergenza diminuisce (fig.4c). Se il corpo carico negativamente viene avvicinato molto, può anche far prevalere sulla cariche presenti la propria induzione (fig.4d).

E’ possibile sfruttare il fenomeno dell’induzione per elettrizzare in modo permanente un elettroscopio. Per quanto premesso sopra, se avviciniamo alla sferetta dell’elettroscopio una sbarretta elettrizzata, le foglioline si allargano perché compare in esse per induzione una carica dello stesso segno di C, mentre sulla sferetta ne compare una opposta. Queste cariche si neutralizzano non appena si allontana il corpo elettrizzato inducente. Ma se mettiamo a terra la sferetta dell’elettroscopio toccandolo, per esempio, con un dito (fig.5a), e solo dopo allontaniamo la sbarretta, allora l’elettroscopio rimane carico in modo permanente, ma la sua carica ha segno opposto a quella del corpo induttore (fig.5b).

L’elettroforo di Volta. L’induzione nelle condizioni descritte viene applicata nella più semplice macchina elettrostatica a induzione, chiamata elettroforo di Volta. Esso è costituito da due dischi, l’uno di materiale isolante (schiacciata), l’altro metallico (scudo), munito di manico isolante (fig.6a).
Dopo aver elettrizzato la schiacciata per strofinio (negativamente), si può elettrizzare ripetutamente lo scudo collegandolo momentaneamente alla terra mentre funziona da indotto (fig.6b): su di esso resta solo elettricità di segno opposto a quello della schiacciata. Sollevato lo scudo elettrizzato (fig.6c), lo si può usare per caricare altri conduttori. Dopo averlo scaricato, si può ripetere l’operazione riappoggiandolo sulla schiacciata rimasta elettrizzata.

IL POTERE DELLE PUNTE. Se un conduttore presenta punte più o meno acuminate oppure spigoli taglienti, le cariche elettriche in tali zone si addensano così intensamente che la loro mutua repulsione le sollecita verso l’esterno e a sfuggire dal conduttore ionizzando le più vicine molecole dell’aria. Tali ioni gassosi, respingendosi tra loro, danno origine a una specie di soffio (detto vento elettrico), col quale il conduttore disperde la propria carica nell’aria che lo circonda e che dovrebbe isolarlo, scaricandosi. Il fenomeno, causato dalle parti appuntite, è noto come potere delle punte.

Il generatore elettrostatico di Van de Graaf. La più moderna tra le macchine elettrostatiche è il generatore di Van der Graaf.

Nel tipo più semplice è formato da una grande sfera metallica cava isolata, che riceve in modo continuo cariche elettriche introdotte in essa da un nastro di materiale isolante, teso tra due pulegge rotanti in senso concorde; tale nastro viene elettrizzato a “effluvio”, cioè applicando il potere delle punte da un generatore ausiliario esterno e cede alla sfera cava le cariche trasportate tramite un pettine metallico, che insieme con la sfera si comporta da indotto a punta.

(*) Appunti liberamente tratti dal libro” Abele De Marco – Fisica – Poseidonia”

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