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1 Amaldi, Fisica.verde, Zanichelli editore 2017
Capitolo 16
Le cariche elettriche
Amaldi, Fisica.verde, Zanichelli editore 2017
2 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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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,
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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;
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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:
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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
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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:
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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.
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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
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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
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Forza elettrica e forza gravitazionale
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.
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Forza elettrica e forza gravitazionale
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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.