Carica elettrica, tipi di elettrizzazione e strumenti

Carica elettrica, tipi di elettrizzazione e strumenti

Un corpo si dice elettrizzato se ha acquistato la capacità di attrarre a sé altri oggetti. Due corpi con stesso comportamento elettrico si respingono, due corpi con opposto comportamento elettrico si attraggono. I corpi che sono in grado di trasferire carica elettrica sono detti conduttori, che non la trattengono perché alcuni degli elettroni sono liberi di muoversi mentre, i materiali che la trattengono sono detti isolanti. Questo fenomeno può essere spiegato attraverso un modello microscopico, cioè considerando le cariche positive e negative dei corpi che interagiscono tra loro.
Come sappiamo, la materia è costituita da molecole, che a loro volta sono formate da atomi, costituiti da elettroni, neutroni e protoni. All’interno di un atomo il numero di elettroni è uguale al numero di protoni, e quindi l’atomo, in condizioni normali, è neutro.
Un corpo elettricamente carico, quindi, è un corpo che presenta uno squilibrio tra il numero di elettroni e il numero di protoni; tale squilibrio di carica è dovuto allo spostamento di elettroni da un corpo ad un altro. Infatti, in un atomo, i protoni sono legati tra loro insieme ai neutroni nel nucleo. Gli elettroni, invece, possono orbitare attorno al nucleo, e sono quindi liberi di muoversi. Un corpo carico positivamente, quindi, è un corpo che presenta un eccesso di protoni, e che quindi ha perso degli elettroni; al contrario, un corpo carico negativamente è un corpo che ha un numero di elettroni in eccesso, e che quindi ha acquistato elettroni da un altro corpo.
Nel corso dei primi studi che vennero effettuati sulle cariche elettriche, si notò che era possibile elettrizzare un corpo mediante strofinio: due corpi, isolanti, non elettrizzati si caricano attraverso lo strofinio. Gli antichi Greci scoprirono il fenomeno con l'ambra, in greco elektron. (L'ambra è una resina fossile)
Anche i conduttori, però, possono essere elettrizzati, e il tipo di elettrizzazione efficace nel loro caso è quella per contatto. Questo metodo consiste nell’avvicinare un conduttore carico elettricamente (con un eccesso di elettroni) ad uno neutro; quando i due conduttori vengono portati a contatto, una parte della carica presente sul primo viene trasferita al secondo, cosicché anch’esso risulti carico. In questo modo, entrambi i conduttori risulteranno elettricamente carichi. In particolare, la carica si distribuisce equamente tra i due conduttori, in modo che essi abbiano lo stesso numero di particelle negative. L’elettrizzazione per contatto fa si che i corpi continuino a rimanere carichi anche dopo l’allontanamento; la carica presente su di essi, quindi, è permanente
L’elettrizzazione per contatto viene adoperata in un particolare strumento, detto elettroscopio, per misurare operativamente la carica elettrica. Questo strumento è costituito da un recipiente di vetro che presenta sulla sommità un pomello metallico; da tale pomello parte un’asta metallica contenuta all’interno del contenitore, che presenta all’estremità due lamine conduttrici molto sottili chiamate “foglie”. La misurazione della carica elettrica avviene avvicinando un corpo elettricamente carico al pomello metallico; quando si raggiunge il contatto tra il pomello e la sbarretta, la carica elettrica si distribuisce uniformemente all’interno dei due conduttori, e dal pomello può scorrere lungo l’asta verticale fino a raggiungere le foglie. Le foglioline, che risultano cariche dello stesso segno, tendono a respingersi, e quindi ad allargarsi; misurando il grado di aperture delle foglioline, è possibile ottenere una misura operativa della carica elettrica.
L’elettrizzazione per induzione consiste nell’avvicinare un corpo elettricamente carico ad un corpo neutro, se quest’ultimo è un conduttore e avviene quindi senza contatto.
Questo fenomeno può essere spiegato considerando una sferetta metallica, e quindi conduttore. In questo caso, infatti, sappiamo che le particelle sono libere di muoversi sulla superficie della sfera. Mentre inizialmente la sfera è neutra, e quindi le particelle positive e negative si trovano sparse uniformemente su di essa, quando avviciniamo una bacchetta, che supponiamo essere carica negativamente, si ha una redistribuzione di cariche sulla superficie della sfera. Poiché le cariche dello stesso segno si attraggono, mentre quelle di segno opposto i respingono, sulla parte della sfera più vicina alla bacchetta si concentreranno le cariche positive, mentre quelle negative si posizioneranno più lontano possibile da essa.
In questo modo nella sfera metallica, nonostante essa sia nel complesso ancora neutra, si ha una nuova distribuzione di carica. L’induzione elettrostatica, però, permette un’elettrizzazione solo temporanea di un corpo; infatti, quando allontaniamo la bacchetta dalla sfera, nella sfera le cariche positive tornano a mescolarsi con quelle negative, e la sfera torna ad essere neutra come in partenza, con una distribuzione uniforme di cariche.
E’ possibile, però, rendere l’induzione elettrostatica permanente; per farlo, occorre avvicinare un altro conduttore in modo tale che le cariche negative si trasmettano al conduttore, per contatto, e il corpo rimanga positivo.
L’elettroforo di Volta rappresenta uno strumento che, attraverso l’induzione elettrostatica, è in grado di accumulare e separare cariche elettriche. Lo strumento è composto da uno strato di resina e da un disco metallico dotato di manico isolante. Il suo funzionamento prevede l’elettrizzazione tramite strofinio dello strato di resina, che si carica così negativamente. Poi si pone il disco metallico a contatto con lo strato di resina: in questo modo la parte del disco a contatto con la resina si carica di segno positivo, mentre quella più distante di segno negativo. Successivamente, toccando con un dito il disco metallico si scaricano a terra le cariche negative, e il disco rimane positivamente carico.