Le macchine Le macchine elettrostaticheelettrostatiche

Per gentile concessione di Per gentile concessione di Pappalardo AlfioPappalardo Alfio

Introduzione all’elettrostaticaIntroduzione all’elettrostatica

Per elettrostatica si intende quella branca della fisica che ha per Per elettrostatica si intende quella branca della fisica che ha per oggetto i fenomeni elettrici generati da cariche in equilibrio. oggetto i fenomeni elettrici generati da cariche in equilibrio.

Alla base dell’elettrostatica stanno i concetti di carica elettrica e di Alla base dell’elettrostatica stanno i concetti di carica elettrica e di campo elettrico: la presenza di un eccesso di cariche su un corpo campo elettrico: la presenza di un eccesso di cariche su un corpo genera un campo elettrostatico intorno ad esso che altera le proprietà genera un campo elettrostatico intorno ad esso che altera le proprietà dello spazio e agisce su altre cariche libere per mezzo della forza di dello spazio e agisce su altre cariche libere per mezzo della forza di Coulomb. Coulomb.

Tipici fenomeni elettrostatici sono l’induzione dei materiali Tipici fenomeni elettrostatici sono l’induzione dei materiali conduttori e la polarizzazione dei dielettrici. conduttori e la polarizzazione dei dielettrici.

L’induzione elettrostaticaL’induzione elettrostaticaIl meccanismo che spiega il fenomeno dell’induzione elettrostatica è semplice: all’interno di Il meccanismo che spiega il fenomeno dell’induzione elettrostatica è semplice: all’interno di un materiale conduttore esistono elettroni liberi di muoversi (elettroni di conduzione), un materiale conduttore esistono elettroni liberi di muoversi (elettroni di conduzione), normalmente responsabili della conduzione della corrente elettrica ; questi, sottoposti alla normalmente responsabili della conduzione della corrente elettrica ; questi, sottoposti alla forza di Coulomb esercitata dalla carica elettrica del corpo inducente, vengono attirati o forza di Coulomb esercitata dalla carica elettrica del corpo inducente, vengono attirati o respinti, a seconda che tale carica sia positiva o negativa. respinti, a seconda che tale carica sia positiva o negativa.

Supponendo che sia positiva, gli elettroni della sferetta metallica tendono a portarsi sul lato Supponendo che sia positiva, gli elettroni della sferetta metallica tendono a portarsi sul lato rivolto verso la bacchetta, lasciando scoperta una parte delle cariche positive fisse del lato rivolto verso la bacchetta, lasciando scoperta una parte delle cariche positive fisse del lato opposto della sferetta. opposto della sferetta.

Il risultato è che all’interno del corpo metallico che subisce l’induzione, le cariche elettriche, Il risultato è che all’interno del corpo metallico che subisce l’induzione, le cariche elettriche, prima distribuite omogeneamente in modo da dare l’effetto complessivo di neutralità elettrica, prima distribuite omogeneamente in modo da dare l’effetto complessivo di neutralità elettrica, si ridistribuiscono disomogeneamente, generando uno squilibrio.si ridistribuiscono disomogeneamente, generando uno squilibrio.

Il fenomeno dell’induzione elettrostatica, quindi, non viola il principio di conservazione della Il fenomeno dell’induzione elettrostatica, quindi, non viola il principio di conservazione della carica: non consiste infatti in una comparsa dal nulla di una carica elettrica prima inesistente, carica: non consiste infatti in una comparsa dal nulla di una carica elettrica prima inesistente, ma in una semplice ridistribuzione della carica esistente all’interno del corpo indotto. Una ma in una semplice ridistribuzione della carica esistente all’interno del corpo indotto. Una volta allontanati i due corpi, ammesso che non vi sia stato contatto tra i due, nel corpo indotto volta allontanati i due corpi, ammesso che non vi sia stato contatto tra i due, nel corpo indotto la carica si ridistribuisce equamente, e si ristabilisce la condizione di neutralità elettrica la carica si ridistribuisce equamente, e si ristabilisce la condizione di neutralità elettrica iniziale.iniziale.

Spiegazione del fenomeno dell’induzione Spiegazione del fenomeno dell’induzione elettrostaticaelettrostatica

L’elettrizzazione di un corpoL’elettrizzazione di un corpo Esistono tre metodi per elettrizzare un corpo: Esistono tre metodi per elettrizzare un corpo: mediante strofinio, per contatto con un corpo mediante strofinio, per contatto con un corpo carico e per induzione.carico e per induzione.

L’induzione è un fenomeno elettrostatico che L’induzione è un fenomeno elettrostatico che consiste nell’elettrizzazione temporanea di un consiste nell’elettrizzazione temporanea di un corpo inizialmente neutro, posto in vicinanza corpo inizialmente neutro, posto in vicinanza di un corpo carico. Nell’esempio, una barra di un corpo carico. Nell’esempio, una barra dotata di carica elettrica negativa, avvicinata a dotata di carica elettrica negativa, avvicinata a una sferetta di materiale conduttore neutro, una sferetta di materiale conduttore neutro, tende ad allontanare da sé le cariche negative tende ad allontanare da sé le cariche negative della sferetta (perché cariche elettriche dello della sferetta (perché cariche elettriche dello stesso segno si respingono). Se si collega a stesso segno si respingono). Se si collega a terra la sferetta, l’elettrizzazione può diventare terra la sferetta, l’elettrizzazione può diventare permanente: le cariche negative ne permanente: le cariche negative ne defluiscono, mentre quelle positive rimangono defluiscono, mentre quelle positive rimangono su di essa, attratte dalla barra. La carica su di essa, attratte dalla barra. La carica positiva della sferetta, quindi, non più positiva della sferetta, quindi, non più bilanciata da un’uguale quantità di carica bilanciata da un’uguale quantità di carica negativa, rimane scoperta e permane anche negativa, rimane scoperta e permane anche dopo l’allontanamento della barra.dopo l’allontanamento della barra.

Elettrizzazione per induzioneElettrizzazione per induzione

L’elettroscopioL’elettroscopioPer chiarire ancora meglio il fenomeno dell’induzione elettrostatica Per chiarire ancora meglio il fenomeno dell’induzione elettrostatica utilizziamo un apparecchio che ci permette di misurare la carica utilizziamo un apparecchio che ci permette di misurare la carica elettrica di un corpo elettrizzato: l’elettroscopioelettrica di un corpo elettrizzato: l’elettroscopio

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

Come funziona l’elettroscopioCome funziona l’elettroscopio

Come funziona l’elettroscopioCome funziona l’elettroscopio

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

Schemi di un elettroscopioSchemi di un elettroscopio

L’elettroforo di VoltaL’elettroforo di VoltaUn’altra macchina ad induzione molto Un’altra macchina ad induzione molto famosa è l’elettroforo di Voltafamosa è l’elettroforo di Volta

Esso è costituito da due dischi, l’uno di Esso è costituito da due dischi, l’uno di materiale isolante (materiale isolante (schiacciataschiacciata), l’altro ), l’altro metallico (metallico (scudoscudo), munito di manico ), munito di manico isolante (fig.a). isolante (fig.a).

Dopo aver elettrizzato la schiacciata per Dopo aver elettrizzato la schiacciata per strofinio (negativamente), si può elettrizzare strofinio (negativamente), si può elettrizzare ripetutamente lo scudo collegandolo ripetutamente lo scudo collegandolo momentaneamente alla terra mentre momentaneamente alla terra mentre funziona da indotto (fig.b): su di esso resta funziona da indotto (fig.b): su di esso resta solo elettricità di segno opposto a quello solo elettricità di segno opposto a quello della schiacciata. Sollevato lo scudo della schiacciata. Sollevato lo scudo elettrizzato (fig.c), lo si può usare per elettrizzato (fig.c), lo si può usare per caricare altri conduttori. Dopo averlo caricare altri conduttori. Dopo averlo scaricato, si può ripetere l’operazione scaricato, si può ripetere l’operazione riappoggiandolo sulla schiacciata rimasta riappoggiandolo sulla schiacciata rimasta elettrizzata.elettrizzata.

Le varie fasi del funzionamento dell’elettroforo di Le varie fasi del funzionamento dell’elettroforo di Volta Volta

Il pendolino elettricoIl pendolino elettricoAl posto dell’elettroforo di Volta si può usare un Al posto dell’elettroforo di Volta si può usare un rivelatore meno sensibile dello stato elettrico: il rivelatore meno sensibile dello stato elettrico: il pendolino elettrico.pendolino elettrico.

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

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

Avvicinati tra loro i due pendolini Avvicinati tra loro i due pendolini precedentemente elettrizzati manifestano precedentemente elettrizzati manifestano reciproca attrazione (fig.c). reciproca attrazione (fig.c).

Come si comporta il pendolino elettrico Come si comporta il pendolino elettrico quando si avvicinano bacchette di vetro e quando si avvicinano bacchette di vetro e di ebanite di ebanite

Cosa dimostra l’esperienza ?Cosa dimostra l’esperienza ?

L’esperienza, ripetuta usando bacchette di altri tipi di materiale L’esperienza, ripetuta usando bacchette di altri tipi di materiale strofinate dimostra che:strofinate dimostra che:

1.1. Esistono due tipi di elettricità: quella che si desta nel vetro, o nei Esistono due tipi di elettricità: quella che si desta nel vetro, o nei corpi come il vetro che viene chiamata “vitrea” o elettricità positiva, e corpi come il vetro che viene chiamata “vitrea” o elettricità positiva, e quella che si desta nell’ebanite, o nei corpi che si comportano come quella che si desta nell’ebanite, o nei corpi che si comportano come l’ebanite che viene chiamata “resinosa” o elettricità negativa. l’ebanite che viene chiamata “resinosa” o elettricità negativa.

2.2. Cariche dello stesso segno si respingono e cariche dello stesso tipo si Cariche dello stesso segno si respingono e cariche dello stesso tipo si attraggono.attraggono.

3.3. La forza di attrazione o repulsione diminuisce rapidamente con la La forza di attrazione o repulsione diminuisce rapidamente con la distanza che separa i corpi interagenti.distanza che separa i corpi interagenti.

4.4. Esistono materiali che hanno cariche elettriche capaci di spostarsi da un Esistono materiali che hanno cariche elettriche capaci di spostarsi da un punto all’altro del corpo ( conduttori ) e materiali in cui le cariche punto all’altro del corpo ( conduttori ) e materiali in cui le cariche rimangono localizzate nella regione dove è avvenuto lo strofinio rimangono localizzate nella regione dove è avvenuto lo strofinio ( isolanti o dielettrici ) .( isolanti o dielettrici ) .

La macchina di WimshurstLa macchina di Wimshurst

Uno degli strumenti che ci permette ancor meglio di capire il fenomeno Uno degli strumenti che ci permette ancor meglio di capire il fenomeno dell’induzione elettrostatica è la macchina di Wimshurst.dell’induzione elettrostatica è la macchina di Wimshurst.

Con tale dispositivo, inventato nel 1882 in Inghilterra dall’omonimo Con tale dispositivo, inventato nel 1882 in Inghilterra dall’omonimo scienziato, si è in grado di produrre delle scintille tra due elettrodi costituiti scienziato, si è in grado di produrre delle scintille tra due elettrodi costituiti da bacchette o da sfere collegati a due armature di un condensatore.da bacchette o da sfere collegati a due armature di un condensatore.

La macchina di Wimshurst

Com’è costituita la macchina di Com’è costituita la macchina di Wimshurst ?Wimshurst ?

La macchina è costituita da due dischi di La macchina è costituita da due dischi di plexiglass che ruotano in senso inverso l’uno plexiglass che ruotano in senso inverso l’uno rispetto all’altro rispetto all’altro

Sulle superfici esterne dei dischi, sono presenti Sulle superfici esterne dei dischi, sono presenti una serie di settori metallici sottili di forma una serie di settori metallici sottili di forma rettangolare in numero pari per ciascuna delle rettangolare in numero pari per ciascuna delle due ruote in modo da avere i cosiddetti settori due ruote in modo da avere i cosiddetti settori opposti, indispensabili per il funzionamento opposti, indispensabili per il funzionamento della macchina.della macchina.

Su dei supporti sono poste delle spazzole che Su dei supporti sono poste delle spazzole che vengono collegate elettricamente a dei vengono collegate elettricamente a dei condensatori ( Bottiglie di Leyda ). Esse condensatori ( Bottiglie di Leyda ). Esse provocheranno, per strofinio con i settori provocheranno, per strofinio con i settori metallici, il caricamento dei due dischi.metallici, il caricamento dei due dischi.

Due sfere, collegate ai condensatori, possono Due sfere, collegate ai condensatori, possono essere avvicinate tra loro fino a generare una essere avvicinate tra loro fino a generare una scarica.scarica.

Schema di funzionamento della macchina di Wimshurst

La struttura della macchina di La struttura della macchina di

WimshurstWimshurst Settori metallici

Sfere collegate ai condensatori

Condensatori o bottiglie di Leyda

Spazzole dai crini metallici

Pulegge

Dischi

Esperienze con la macchina di Esperienze con la macchina di WimshurstWimshurst

Per l’esperienza utilizziamo un recipiente avente ai lati due elettrodi a Per l’esperienza utilizziamo un recipiente avente ai lati due elettrodi a punta, al cui interno è inserito dell’olio e del semolino.punta, al cui interno è inserito dell’olio e del semolino.

Se colleghiamo i due elettrodi ai due diversi poli della macchina, Se colleghiamo i due elettrodi ai due diversi poli della macchina, azionando quest’ultima vedremo che nel recipiente si verranno a formare azionando quest’ultima vedremo che nel recipiente si verranno a formare delle linee di forza convergenti tra i due elettrodidelle linee di forza convergenti tra i due elettrodi

Se invece colleghiamo i due elettrodi ad un solo polo ci accorgiamo che le Se invece colleghiamo i due elettrodi ad un solo polo ci accorgiamo che le linee di forza che si verranno a formare saranno diverse rispetto al primo linee di forza che si verranno a formare saranno diverse rispetto al primo caso, perché esse divergonocaso, perché esse divergono

Se posizioniamo un anellino all’interno del recipiente e azioniamo la Se posizioniamo un anellino all’interno del recipiente e azioniamo la macchina, ci accorgiamo che all’interno di esso il semolino non subisce macchina, ci accorgiamo che all’interno di esso il semolino non subisce alcuna modifica. L’anello quindi costituisce uno schermo elettrostatico.alcuna modifica. L’anello quindi costituisce uno schermo elettrostatico.

Se al posto di due elettrodi a punta inseriamo un doppio strato elettrico, il Se al posto di due elettrodi a punta inseriamo un doppio strato elettrico, il campo elettrico sarà uniforme in ogni punto. Azionando la macchina le campo elettrico sarà uniforme in ogni punto. Azionando la macchina le linee di forza che si verranno a formare andranno da un elettrodo all’altro.linee di forza che si verranno a formare andranno da un elettrodo all’altro.

Cosa sono le linee di forza ?Cosa sono le linee di forza ?

Le linee di forza sono quelle linee la Le linee di forza sono quelle linee la cui tangente in ogni punto ha la stessa cui tangente in ogni punto ha la stessa direzione del campo elettrostatico in direzione del campo elettrostatico in quel punto.quel punto.

Nel primo caso le linee di forza che si Nel primo caso le linee di forza che si verranno a formare saranno come verranno a formare saranno come quelle in figura 1. Il sistema costituito quelle in figura 1. Il sistema costituito dalle cariche opposte prenderà il nome dalle cariche opposte prenderà il nome di di dipolo elettricodipolo elettrico. Le linee di forza . Le linee di forza che escono dalla carica positiva sono che escono dalla carica positiva sono in uguale numero a quelle che entrano in uguale numero a quelle che entrano nella carica negativa.nella carica negativa.

Nel secondo caso le linee di forza che Nel secondo caso le linee di forza che si verranno a formare saranno come si verranno a formare saranno come quelle in figura 2. Tra due cariche quelle in figura 2. Tra due cariche uguali, infatti, le linee che si verranno uguali, infatti, le linee che si verranno a formare divergono. a formare divergono.

Linee di forza generate da due cariche opposte

Linee di forza generate da due cariche uguali

La gabbia di FaradayLa gabbia di FaradayUn’altra macchina elettrostatica è la gabbia di Un’altra macchina elettrostatica è la gabbia di Faraday.Faraday.

Essa è un esempio di schermo elettrostatico ed è Essa è un esempio di schermo elettrostatico ed è realizzata mediante una rete metallica a maglie realizzata mediante una rete metallica a maglie molto fitte (chiusa a formare una sorta di gabbia). molto fitte (chiusa a formare una sorta di gabbia). All'interno di questa non vi sono effetti dovuti a All'interno di questa non vi sono effetti dovuti a campi elettrostatici esterni né al caricamento della campi elettrostatici esterni né al caricamento della gabbia stessa. gabbia stessa. 

La verifica può essere fatta posizionando La verifica può essere fatta posizionando all'interno della gabbia un elettroscopio. La all'interno della gabbia un elettroscopio. La gabbia viene caricata da un generatore gabbia viene caricata da un generatore elettrostatico mentre l'elettroscopio all'interno elettrostatico mentre l'elettroscopio all'interno non rivela alcuna presenza di cariche. E' non rivela alcuna presenza di cariche. E' possibile, inoltre, utilizzare un secondo possibile, inoltre, utilizzare un secondo elettroscopio collegato elettricamente all'esterno elettroscopio collegato elettricamente all'esterno della gabbia per rivelarne la carica.della gabbia per rivelarne la carica.

Un esempio di gabbia di Faraday

Il generatore di Van Der GraafIl generatore di Van Der GraafLa più moderna tra le macchine La più moderna tra le macchine elettrostatiche è il generatore di Van elettrostatiche è il generatore di Van der Graaf. der Graaf.

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