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1 Amaldi, Fisica.verde, Zanichelli editore 2017

Capitolo 16

Le cariche elettriche

Amaldi, Fisica.verde, Zanichelli editore 2017


L’elettrizzazione per strofinio

Un corpo che è diventato capace di attrarre

oggetti leggeri è detto elettrizzato.

L’elettrizzazione per strofinio

(sfregamento) è all’origine del termine

«elettricità»; infatti gli antichi greci

scoprirono il fenomeno strofinando

l’ambra, in greco elektron.

Strofinando con un panno di lana un

palloncino di gomma, si osserva che

quest’ultimo diventa in grado di attirare

oggetti molto leggeri.



Proprietà dei corpi elettrizzati

Se si avvicinano due corpi elettrizzati, si osserva che:

Due bacchette di

plastica si

respingono;

due bacchette di

vetro si

respingono;

invece una bacchetta

di vetro e una di

plastica si attraggono.



L’ipotesi di Franklin

Il fisico statunitense Benjamin Franklin formulò una prima ipotesi

per spiegare il fenomeno dell’elettrizzazione per strofinio.

Secondo Franklin esistono due tipi di carica elettrica:

carica elettrica positiva, quella degli oggetti che si comportano

come il vetro;

carica elettrica negativa, quella degli oggetti che si comportano

come la plastica.

Se due corpi hanno cariche elettriche dello stesso segno, si

respingono; invece, se hanno cariche elettriche di segni opposti, si

attraggono.



Il modello microscopico (1)

Oggi sappiamo che ogni atomo contiene tre tipi di particelle:

gli elettroni, con carica elettrica negativa;

i protoni, con carica elettrica positiva;

i neutroni, privi di carica (neutri).

Ogni atomo ha lo stesso numero di protoni e di elettroni e la

carica di un protone bilancia esattamente quella di un elettrone,

perciò l’atomo è neutro, cioè ha carica elettrica uguale a zero.



Il modello microscopico (2)

I protoni e i neutroni formano il nucleo

dell’atomo: sono legati strettamente tra

loro e non sono liberi di muoversi.

Non abbandonano mai l’atomo a cui

appartengono.

Gli elettroni, invece, ruotano attorno al nucleo e sono trattenuti

nell’atomo da forze più deboli: in certi casi si allontanano e passano

da un atomo a un altro.

Un atomo che perde elettroni si ritrova con un eccesso di protoni e

quindi diventa carico positivamente (ione positivo); invece un atomo

che acquista elettroni diventa carico negativamente (ione negativo).



L’elettrizzazione dei corpi

Di solito i corpi sono neutri perchè formati da atomi neutri.

alcuni elettroni

dal vetro passano

alla lana;

il panno di lana,

avendo acquistato

elettroni, diventa carico

negativamente;

il vetro che ha perso

alcuni elettroni,

diventa positivo.

Un corpo è carico negativamente quando ha più elettroni che

protoni; è carico positivamente quando ha più protoni che elettroni.

Strofinando una bacchetta di vetro con un panno di lana,



I conduttori e gli isolanti

Da questo esperimento si deduce che esistono due tipi di materiali:

materiali come i metalli, che non sempre rimangono carichi,

sono detti conduttori elettrici.

Un cucchiaio di metallo, strofinato con un

panno di lana, non attrae pezzetti di carta.

Ripetendo l’esperimento dopo aver infilato un

guanto di gomma, il cucchiaio si elettrizza e

attira i pezzetti di carta.

La distinzione non è netta: esistono sostanze più o meno

conduttrici oppure più o meno isolanti.

La plastica e il vetro sono ottimi isolanti, i metalli (soprattutto rame

e argento) ottimi conduttori.

materiali come la plastica, che si caricano se strofinati e

mantengono la carica, sono detti isolanti elettrici;



Il nostro corpo è conduttore

Il nostro corpo è un ottimo conduttore:

quando gli abiti e la pelle si caricano per

strofinio, la carica non resta limitata a

una parte del corpo, ma si distribuisce

dappertutto, fino ai capelli e alle punta

delle dita.

Infatti, quando l’ aria è secca, i bambini al termine delle discese su

scivoli di plastica, hanno i capelli dritti: i capelli si elettrizzano con

cariche dello stesso segno e si respingono l’un l’altro.

Poichè siamo noi stessi conduttori, quando facciamo esperimenti

con conduttori carichi, dobbiamo maneggiarli usando guanti o

manici isolanti.



La conduzione della carica

Strofinando il cucchiaio, gli elettroni passano

dal panno al cucchiaio.

negli isolanti gli elettroni sono molto legati agli atomi;

nei conduttori alcuni elettroni sono liberi di muoversi e di

spostarsi da un atomo a un altro.

Il modello microscopico aiuta a capire il comportamento degli

isolanti e dei conduttori, ipotizzando che:

Poichè il nostro corpo è conduttore, se il

cucchiaio è a contatto con la pelle, gli elettroni

si scaricano a terra attraverso il nostro corpo.

Indossando i guanti di gomma, gli elettroni si

fermano nel cucchiaio perchè sono bloccati

dalla gomma, che è un isolante.



L’elettrizzazione per contatto

Avvicinando un conduttore carico (per

esempio negativamente) a un altro

conduttore neutro, quando avviene il

contatto, una parte della carica passa al

secondo.

I conduttori possono subire elettrizzazione per contatto.

Infatti, alcuni elettroni in eccesso sul primo

conduttore, fluiscono nel secondo, che

diventa a sua volta negativo.



L’elettroscopio

Si basa

sull’elettrizzazione per

contatto dei conduttori:

Un oggetto è carico se fa divaricare le foglie dell’elettroscopio.

L’elettroscopio è uno strumento che

indica se un oggetto è carico.

toccando il pomello con un oggetto conduttore

elettrizzato, parte della sua carica si distribuisce

lungo tutto l’elettroscopio, fino alla foglioline.

Queste acquistano cariche dello stesso segno e

si respingono. Maggiore è l’angolo di apertura,

maggiore è la carica del corpo.



Il coulomb

La carica più piccola (in valore assoluto) che sia stata mai

osservata è quella dell’elettrone, perciò si è assunto tale valore

come riferimento:

Tutti gli elettroni dell’Universo hanno la stessa carica negativa:

Nel Sistema Internazionale l’unità di misura della carica elettrica è

il coulomb (C).

191,6022 10 Ce

la carica elettrica si presenta sempre come multiplo, positivo o

negativo, della carica elettrica elementare 191,6022 10 Ce



La carica elettrica si conserva

Nel caso della bacchetta di vetro elettrizzata con un panno di lana,

si nota che, prima dello sfregamento, entrambi gli oggetti sono

neutri e dopo hanno uno squilibrio di cariche: un eccesso di

elettroni nel panno e una corrispondente mancanza di elettroni

nella bacchetta (che li ha ceduti).

Quindi la bacchetta e il panno risultano elettrizzati con cariche di

uguale valore assoluto e di segno opposto.

in un sistema chiuso, cioè un sistema che non scambia materia

con l’esterno, la somma algebrica delle cariche elettriche si

mantiene costante, indipendentemente dai fenomeni che in esso

hanno luogo.

La legge di conservazione della carica elettrica afferma che:



La forza elettrica

La forza elettrica tra due cariche

puntiformi ha sempre la direzione della

retta che le congiunge.

Due corpi elettrizzati si attraggono o si respingono con una forza

chiamata forza elettrica.

La direzione e il verso della forza elettrica

Se le cariche hanno lo stesso segno

(positivo o negativo) si respingono: i

vettori delle forze puntano verso l’esterno.

Se le cariche hanno segno opposto si attraggono.

N.B.: i due vettori forza e sono uguali e opposti per il terzo

principio della dinamica. F F



La legge di Coulomb

il modulo della forza tra due cariche puntiformi è:

direttamente proporzionale al valore assoluto di ogni carica;

inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza.

Il modulo della forza elettrica, che due cariche puntiformi

esercitano l’una sull’altra, è descritto dalla legge di Coulomb:

Il modulo della forza elettrica

In formule:



La legge di Coulomb

Mantenendo fissa la distanza, se una

delle due cariche raddoppia, la forza

raddoppia; se raddoppia anche l’altra

carica, la forza quadruplica.

La formula dice che:

Mantenendo fisse le cariche, se la

distanza raddoppia, la forza diventa

quattro (22) volte più piccola; se la

distanza triplica, la forza diventa nove

(32) volte più piccola.



La legge di Coulomb

La legge di Coulomb è una legge sperimentale. La costante di

proporzionalità è stata determinata in base a moltissime

misurazioni e, se le cariche sono nel vuoto o nell’aria, ha il

seguente valore:

La costante di proporzionalità

Se le cariche sono in un isolante più denso dell’aria, la costante è

più piccola. Ne consegue che è minore anche la forza elettrica.

29

0 2

N m8,99 10

Ck



Forza elettrica e forza gravitazionale

Le formule che esprimono i moduli della forza elettrica (legge di

Coulomb) e della forza gravitazionale (legge della gravitazione

universale di Newton) hanno la stessa forma matematica:

Analogie

Le due forze sono simili perché entrambe:

agiscono a distanza;

diminuiscono in modo inversamente proporzionale al quadrato

della distanza dei corpi puntiformi;

sono direttamente proporzionali al prodotto delle grandezze

caratteristiche (rispettivamente la carica e la massa).

1 2

0 2

Q QF k

r 1 2

2N

m mF G

r




Differenze

Le due forze sono diverse perché:

le cariche elettriche possono essere positive o negative, invece

le masse sono sempre positive;

di conseguenza la forza elettrica può essere attrattiva o

repulsiva, mentre la forza gravitazionale è sempre attrattiva;

la forza elettrica riguarda solo i corpi carichi, mentre la forza

gravitazionale agisce tra tutti i corpi.




Intensità

Però la forza gravitazionale agisce su tutti i corpi, mentre quella

elettrica solo su quelli carichi; inoltre è sempre attrattiva, perciò i

vari contributi si sommano, invece forze elettriche attrattive e

repulsive possono bilanciarsi o comunque ridurre il valore della

forza risultante.

Per questi motivi, quando la massa è molto grande (pianeta,

stella) la forza gravitazionale prevale sulla forza elettrica.

A livello microscopico la forza elettrica è molto più intensa di

quella gravitazionale.

La forza elettrica tra protone e elettrone, a qualunque distanza

fissata, supera di 39 ordini di grandezza la forza gravitazionale.



I conduttori possono subire

elettrizzazione per induzione.

La parte della sfera vicino alla bacchetta diventa positiva

(mancanza di elettroni), mentre la parte più lontana diventa

negativa (eccesso di elettroni).

Gli elettroni della sfera vicini alla bacchetta risentono della forza

repulsiva e, potendo muoversi, si allontanano il più possibile.

L’elettrizzazione per induzione

Un corpo carico (es. negativo) avvicinato

a un conduttore neutro, lo attrae.

Per la legge di Coulomb, l’attrazione tra cariche vicine è più

intensa della repulsione tra cariche lontane, quindi la sfera è

attratta verso la bacchetta.

N.B.: il conduttore è sempre neutro: la carica si è ridistribuita in

modo non uniforme.



L’induzione elettrostatica è reversibile: allontanando il corpo

elettrizzato, gli elettroni del conduttore si ridistribuiscono su tutta

la superficie che torna a essere uniforme.

Grazie all’induzione elettrostatica l’elettroscopio può rivelare la

presenza di carica quando l’oggetto viene solo avvicinato al suo

pomello, senza toccarlo.

L’induzione elettrostatica

Si chiama induzione elettrostatica la ridistribuzione di cariche

causata, in un conduttore, dalla vicinanza di un corpo elettrizzato.



Togliendo prima il dito e poi la bacchetta, la sfera

resta carica positivamente, perché gli elettroni

sfuggiti non possono tornare indietro.

Dopo aver avvicinato la bacchetta

elettrizzata, toccando con un dito la sfera

nella zona di accumulo degli elettroni, questi

si scaricano a terra attraverso il nostro corpo.

Come caricare un conduttore neutro Con l’induzione elettrostatica è possibile caricare un conduttore

neutro.

Attraverso il nostro corpo gli elettroni finiscono al suolo, che è un

conduttore capace di accumulare carica elettrica in quantità.



Il loro movimento è limitato all’interno degli

atomi o delle molecole.

La polarizzazione degli isolanti (1) Nei materiali isolanti, detti anche dielettrici, gli elettroni non

possono muoversi liberamente, come accade nei conduttori.

Avvicinando la bacchetta carica (es.

negativa) gli elettroni della carta sono

respinti e si posizionano alle estremità

opposte delle molecole, quindi le estremità

più vicine diventano positive.

Tuttavia corpi leggeri di materiale isolante

(es.: pezzetti di carta) possono essere attratti

da un oggetto elettrizzato (es.: bacchetta).



La separazione delle cariche dei due segni entro gli atomi e le

molecole, che avviene in un isolante ed è causata dalla vicinanza

di un corpo elettrizzato, è detta polarizzazione.

La polarizzazione degli isolanti (2) Per la legge di Coulomb, l’attrazione tra cariche vicine è più

intensa della repulsione tra cariche lontane, quindi i pezzetti di

carta si attaccano alla bacchetta elettrizzata.

Infatti, attorno a un corpo elettrizzato, le

molecole di un dielettrico si polarizzano,

avvolgono la carica e la attenuano.

Per effetto della polarizzazione, un mezzo

isolante attenua la forza elettrica delle

cariche puntiformi presenti in esso.

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