ESPERIMENTI ELEMENTARI DI ELETTROSTATICA

Scopo: verificare come avviene il fenomeno di elettrizzazione.

Premesse Teoriche e Esperimenti:

ELETTROSTATICA  
L'elettrostatica studia i fenomeni elettrici relativi a cariche ferme, che generano campi statici, ossia indipendenti dal tempo.

La forza di Coulomb  
Due cariche ferme esercitano una reciproca attrazione o repulsione elettrostatica: l'intensità della forza è direttamente proporzionale al prodotto delle cariche e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza. Dette q₁ e q₂ le due cariche puntiformi, ed e la costante dielettrica assoluta, che dipende dalle proprietà della regione di spazio in cui si trovano le cariche, questo risultato si scrive:

ed è noto come legge di Coulomb.

Questa legge, che sta alla base di tutta l'elettrostatica, venne formulata per via sperimentale dal fisico francese Charles-Augustin de Coulomb, in onore del quale all'unità di misura della carica elettrica venne dato nome coulomb.

Il campo elettrico  
Ogni corpo dotato di carica elettrica genera nello spazio circostante un campo elettrico, ossia determina un'alterazione della regione di spazio in cui si trova. Questa alterazione dello spazio si evidenzia quando al suo interno viene posta una seconda carica elettrica, detta carica di prova: per effetto del campo, infatti, la carica di prova risente di una forza attrattiva o repulsiva. Dunque il concetto di campo può essere convenientemente utilizzato per fornire una descrizione alternativa dell'interazione fra cariche elettriche: anziché affermare che una carica elettrica esercita su una seconda carica posta a una determinata distanza una forza elettrostatica, si può dire che una carica ferma genera un campo elettrico, per effetto del quale una seconda carica sente una forza. Il campo elettrico può essere rappresentato graficamente mediante linee dette 'linee di forza' o 'di campo', che indicano la direzione delle forze elettriche che agirebbero su un'immaginaria carica di prova positiva posta all'interno della regione da questo occupata.

Potenziale elettrico  
Per spostare una particella carica da un punto a un altro di una regione dello spazio ove è presente un campo elettrico occorre compiere lavoro, ovvero trasferire energia alla particella. Il lavoro fatto serve a vincere il campo elettrico, che si oppone allo spostamento. Si può mostrare che il lavoro necessario a spostare una carica fra due punti del campo elettrico non dipende dal percorso seguito. Ciò permette di associare a ciascun punto del campo una funzione potenziale, ossia un numero che indica il lavoro da compiere per spostare una carica unitaria da una posizione di riferimento, scelta a piacere, della regione occupata dal campo (nel quale si assegna valore nullo alla funzione stessa) a quel punto stesso. La quantità di energia necessaria a spostare una carica unitaria fra due punti dello spazio risulta dunque pari alla differenza dei valori della funzione potenziale tra quei due punti. Il potenziale, e dunque la differenza di potenziale, si misura in volt (V). Nella pratica, il riferimento a cui si assegna potenziale nullo è la terra, che viene considerata come un enorme conduttore a potenziale uniforme, non influenzato dalle variazioni elettriche che avvengono nelle sue vicinanze. Dunque, affermando che il potenziale di un corpo carico è positivo o negativo, si intende affermare che in quel punto il potenziale vale un determinato numero di volt al di sopra o al di sotto del potenziale della terra, ovvero del potenziale nullo.

La carica elettrica  
Lo strumento utilizzato per misurare la quantità di carica elettrica di un corpo è l'elettroscopio, il cui schema è mostrato nell'immagine. Nella sua forma più semplice è costituito da due sottilissime foglie d'oro (a,a), sospese a un supporto metallico (b) posto all'interno di un recipiente di vetro o di altro materiale non conduttore (c), e da un pomello metallico (d), collegato al supporto, che raccoglie le cariche elettriche. Avvicinando un corpo elettrizzato al pomello si induce una distribuzione di cariche: il pomello metallico acquista una carica opposta a quella del corpo mentre le cariche dello stesso segno di quest'ultimo raggiungono, attraverso il supporto, entrambe le foglie; per effetto delle forze elettrostatiche esse si respingono e dalla loro divergenza angolare è possibile risalire approssimativamente alla quantità di carica elettrica appartenente al corpo elettrizzato.

L'elettrizzare di un corpo avviene in tre modi:

Elettrizzazione per strofinio

Elettrizzazione per contatto

Elettrizzazione per induzione

Conduttori & Semiconduttori & Isolanti

I conduttori permettono alle cariche elettriche di fluire attraverso essi.

Gli isolanti non lasciano sfuggire le cariche elettriche

I semiconduttori hanno proprietà intermedie tra i conduttori e gli isolanti

Questa distinzione vale per i solidi, i liquidi e i gas.

Il diverso comportamento dei conduttori e degli isolanti ha origine dalla loro diversa struttura microscopica.

Prima di addentrarci particolarmente nella struttura di ogni gruppo è utile ricordare che l'atomo è formato da un nucleo (neutroni e protoni) e da elettroni che si muovono velocemente su delle orbite

I CONDUTTORI

Nei materiali conduttori gli elettroni lontani dal nucleo si staccano più facilmente rispetto a quelli vicini al nucleo.

Se ingrandiamo un filo di rame ci appare questa situazione:

FASCIA DI CONDUZIONE

Ci sono tante cariche elettriche positive quante quelle negative.

Gli elettroni che si trovano nella fascia di conduzione "saltano da una buca all'altra"

La fascia di conduzione coincide con lo stato energetico più alto degli elettroni.

GLI ISOLANTI

Negli isolanti non avviene quanto descritto nei conduttori perché gli elettroni sono molto legati ai nuclei e difficilmente se ne allontanano. Il legame che li caratterizza è un legame covalente

I SEMICONDUTTORI

A B

A determinate temperature (+ 20°C) accade che un elettrone dell'atomo A si scambia con un elettrone dell'atomo B. Sotto i 20°C i semiconduttori sono isolanti.

Elettrizzazione Per Strofinio

ESPERIMENTO

Prendiamo una bacchetta di plastica e la strofiniamo con un panno; se ora la avviciniamo a piccoli pezzetti di carta, vedremo che questi vengono attirati verso la bacchetta.

Con essa possiamo anche deviare il filo dell'acqua che esce dal rubinetto.

Se invece elettrizziamo anche una bacchetta di vetro e la avviciniamo alla bacchetta di plastica elettrizzata esse si attraggono; se invece avviciniamo alla bacchetta di plastica elettrizzata un'altra bacchetta di plastica elettrizzata esse si respingono. Se le due bacchette sono entrambe di vetro o entrambe di plastica, queste si respingono, se una bacchetta è di vetro e l'altra è di plastica, queste si attraggono

SPIEGAZIONE

Possiamo spiegare questo fenomeno facendo l'ipotesi che esistano due tipi di elettricità. Li chiamiamo elettricità positiva ed elettricità negativa. I nomi "positivo" e "negativo" sono del tutto convenzionali e non nascondono alcun significato profondo.

I risultati delle due esperienze possono essere così riassunti:

due corpi elettricamente carichi si respingono se le cariche da essi possedute sono dello stesso tipo e si attraggono se le cariche sono di tipo diverso

LE CARICHE ELETTRICHE

Ci sono due ipotesi:

nascono dal nulla nel momento stesso in cui si strofinano i due corpi

esistono già prima che si strofinano i due corpi, nascoste dentro la materia

La scoperta dell'elettrone (1800-l900) ha dato fondamento alla seconda ipotesi.

particella carica negativamente

si trova in tutte le sostanze

CONCLUSIONI

All'interno di un corpo neutro (privo di carica) esistono anche delle cariche positive che controbilanciano quelle negative.

Invece un corpo carico contiene un eccesso di cariche di un segno.

Durante lo strofinio c'è una migrazione di elettroni da un corpo all'altro. La plastica, che si carica negativamente, acquista elettroni, mentre la lana ne perde, diventando così positiva.

Elettrizzazione per Contatto

ESPERIMENTO

Ad un filo isolante è attaccata una sfera di carta stagnola

Avvicino senza far toccare una bacchetta elettrizzata, la sfera di carta stagnola è attirata.

+ +

+

+ +

Quando la bacchetta elettrizzata e la sfera si toccano la sfera di carta stagnola oscilla dall'altro lato del pendolo, perché si è caricata della stessa carica della bacchetta; due cariche uguali si respingono.

+ + + +

+ + + +

+ + +

Se voglio scaricare il pendolino lo devo semplicemente toccare.

OSSERVAZIONI

Questo modo per elettrizzare un corpo è detto elettrizzazione per contatto. Quindi il corpo carico presenta un eccesso (o un difetto) di elettroni e, a contatto con quello scarico, cede ad esso (o acquista) una parte degli elettroni.

Per scaricarlo devo semplicemente toccarlo perché la terra è carica negativamente e Il pendolino si scarica perché gli elettroni della terra attirano quelli della sfera. Il corpo umano funge da conduttore.

Elettrizzazione per Induzione

ESPERIMENTO

Abbiamo una bacchetta conduttrice sostenuta da un sostegno isolante e una bacchetta carica. Avviciniamo senza porre a contatto una bacchetta carica ad una estremità di una bacchetta conduttrice scarica. Tocchiamo con un dito l'estremità opposta e, dopo averlo staccato, allontaniamo anche il corpo carico, possiamo osservare ,utilizzando l'elettroscopio, che anche al bacchetta si è caricata.

CONCLUSIONI

Questo modo per elettrizzare un corpo scarico è detto elettrizzazione per induzione. Se non tocchiamo la bacchetta con un dito e allontaniamo il corpo scarico, essa risulta alla fine ancora scarico. Un corpo carico negativamente respinge una parte degli elettroni del corpo scarico vicino. Gli elettroni respinti si accumulano nella parte del corpo scarico più lontana del corpo carico negativamente, lasciano scoperta di elettroni la parte più vicina, è avvenuta una separazione momentanea di cariche.

Elettroscopio

Strumento utilizzato per misurare la carica elettrica di un corpo elettrizzato. Attualmente gli elettroscopi vengono usati perlopiù a scopi didattici e dimostrativi e sono stati sostituiti da apparecchi elettronici dotati di maggiore precisione.

In forma semplificata, l'elettroscopio è costituito da due leggerissimi conduttori metallici sospesi per mezzo di un sostegno in un involucro di vetro o di altro materiale isolante. I conduttori, che molto spesso sono due sottilissime lamine d'oro, sono collegati elettricamente a un terzo conduttore posto all'esterno dell'involucro; quando il conduttore esterno viene posto a contatto con un corpo carico, sulle due lamine interne si distribuisce una carica elettrica dello stesso segno e quindi queste si allontanano. Misurando la distanza indotta fra i due conduttori è possibile calcolare la quantità di carica portata dal corpo elettrizzato.

Schema dell'elettroscopio

Per determinare lo stato elettrico di un corpo lo si può mettere in contatto con il pomello (d) di un elettroscopio. Se nel corpo sono presenti delle cariche in eccesso, fluiscono automaticamente attraverso il supporto metallico (b) fino a distribuirsi tra le foglioline (a) e (a_), pure metalliche. Queste, essendosi caricate entrambe dello stesso segno, si allontanano l'una dall'altra in misura proporzionale all'intensità della carica. Il tutto è protetto da un contenitore di vetro (c).

Apparecchio di Whimshurst
ANNO:
1960 circa
MATERIALI:
Legno, plexiglas, ottone cromato,
carta stagnola
ANALISI GENERICA
Macchina elettrostatica ad effetto combinato di elettrizzazione per strofinio ed induzione.
Permette di raggiungere differenze di potenziale di varie decine di KV che possono diventare centinaia inserendo le bottiglie di Leiden (condensatori) in dotazione.
ANALISI DETTAGLIATA
L'apparecchio è costituito da due dischi di vetro o plexiglas coassiali e paralleli che ruotano in senso contrario uno all'altro. Lungo il bordo esterno di ciascun disco sono disposti piccoli settori di carta stagnola. Su di essi strisciano due coppie di spazzole di rame sostenute da conduttori diametrali inclinati e si affacciano due pettini a punte collegati a bacchette conduttrici terminanti in due sfere. Durante la rotazione dei dischi una piccola carica di un settore induce nel settore corrispondente all'altro lato del disco una carica di segno opposto; la cosa si ripete per tutti i settori che cedono poi la carica ai pettini al loro passaggio davanti a questi sfruttando il potere delle punte. Sulle sfere terminali si viene così ad accumulare una carica via via crescente finche il campo elettrico fra queste raggiunge un valore abbastanza elevato per far scoccare una scintilla. La distanza fra le sfere permette di valutare la differenza di potenziale raggiunta considerando, in aria asciutta, circa 10 KV/cm.
Se si inseriscono i due condensatori cilindrici, riproduzioni della storica bottiglia di Leiden, le scintille si diradano nel tempo perché la macchina deve funzionare più a lungo per caricare i condensatori ma la scintilla quando scocca è molto più intensa e dà l'effetto di un piccolo fulmine con relativo tuono.

Elettroforo del Volta

L'elettroforo del Volta, semplice apparecchio per creare e trasportare cariche elettrostatiche, è stato inventato nel 18° secolo dallo scienziato comasco Alessandro Volta, più noto per l'invenzione della pila.

Per realizzare questo dispositivo sono necessari:

un piano di materiale plastico,

un panno di lana,

un disco metallico munito di manico isolante (facilmente costruibile con un disco di qualsiasi metallo al quale viene incollato come manico un pezzo di plastica)

La prima operazione è quella di caricare il piano di materiale plastico strofinandolo con il panno di lana, fatto questo si appoggerà il disco sul piano tenendolo per il manico isolante e poi si accosterà un dito alla faccia superiore del disco, si potrà avvertire una leggera scossa, a questo punto il disco è carico elettricamente, accostandolo al pendolino elettrostatico o ad un elettroscopio a foglie o a un elettroscopio elettronico si potrà constatare la carica elettrica.

Funzionamento: quando il disco viene poggiato sul piano caricato al suo interno si verifica una separazione delle cariche, quelle di segno opposto alla carica del piano si disporranno sulla faccia inferiore, quelle dello stesso segno si disporranno sulla faccia superiore, quando si avvicina il dito alla faccia superiore le cariche elettriche presenti su questa si scaricano a terra attraverso il corpo dell'operatore, così il disco rimane carico con segno opposto a quello del piano.

La carica così acquistata è abbastanza forte da determinare, ad esempio, l'accensione di una piccola lampada al neon o da dare una scossa percettibile se il disco carico viene avvicinato, tenendolo per il manico isolante, alla nocca di un dito o al lobo di un orecchio.