Forza elettrostatica e campo elettrostatico

Forza elettrostatica. Campo elettrostatico.

1.1 cariche elettriche. Isolanti e conduttori

Tra le interazioni fondamentali esistenti in natura e la prima ad essere scoperta e studiata

quantitativamente è stata l’interazione gravitazionale, responsabile di gran parte dei fenomeni che

si esca osservano su scala macroscopica nell’universo. il moto dei pianeti attorno al sole come il

moto rispetto la terra sia di un corpo qualsiasi che di un satellite artificiale, sono regolati dalla

legge di Newton che fornisce per il modulo della gravitazionale, l’espressione:

Fg juice

=

Due corpi di masse M1 e M2, poste a distanza R molto grande rispetto alle dimensioni dei corpi

stessi, interagiscono con una forza attrattiva la cui intensità è proporzionale al prodotto delle

masse e inversamente proporzionale al quadrato della distanza.

Le masse dei corpi, da cui dipende l’interazione, possono essere assunti uguali alle masse iniziali,

cioè quelle che compaiono nella legge del moto F=ma. La costante γ= 6.67 *(10^-11 ) Nm^2/kg^2,

che descrive l’intensità dell’interazione, è universale, il suo valore è indipendente sia dal valore

che da qualsiasi altra caratteristica delle masse interagenti.

Un’altra interazione fondamentale è quella elettromagnetica.un aspetto particolare

dell’interazione elettromagnetica è la forza elettrica. Le forze prese in considerazione vengono

chiamate forze elettriche in cui interagiscono cariche elettriche che preesistono i corpi e che

passano da un corpo all’altro per cui i corpi elettrizzati si chiamano anche elettricamente

carichi.

Questi corpi che si caricano per strofini io sono di titolanti in quanto capace di trattenere la

carica elettrica, mentre altri, come ad esempio in Italia il corpo umano stesso, non trattengono

la carica e sono detti conduttori; in effetti se proviamo a strofinare con un panno una bacchetta

di metallo, constatiamo che essa non si elettrizza.

Il metodo dell’elettrizza azione per strofini o può essere applicato sistematicamente un gran

numero di materiali isolanti, tra cui anche materiali sintetici attualmente disponibili (bachelite,

plexiglas, materie plastiche), con i seguenti risultati che rivestono carattere generale:

1. esistono due specie di materiali isolanti, quelli che si comportano come il vetro e quelli che si

comportano come la bachelite;

2. Tra due bacchette elettrizzate della medesima specie si manifesta sempre una forza

repulsiva

3. Tra due bacchette elettrizzati di specie diversa (una tipo vetro e l’altra tipo bachelite) si

manifesta sempre una forza attrattiva

4. Una forza attrattiva si manifesta in ogni caso tra la bacchetta di isolante e il materiale per

strofinio.

Da questo insieme di fatti sperimentali si dice che ci sono due diversi tipi di cariche elettriche;

per convenzione se chiamata positiva la carica compare sulla superficie delle sostanze tipo vetro

elettrizzate, mentre stata chiamata negativa la carica che compare sulla superficie delle

sostanze tipo bachelite. Possiamo sintetizzare così i risultati precedenti:

• Due corpi isolanti carichi entrambi positivamente entrambi negativamente si respingono

• corpo isolante carico positivamente uno carica negativamente si attraggono

• Nel processo di carica per strofini io i due corpi, la bacchetta di isolante e il panno,

acquistano sempre una carica di segno posto

L’Elettroscopio a foglie

Elettroscopio a foglie é il primo strumento costruito per

rivelare e riconoscere lo stato di carica. Esso è costituito

da due foglioline metalliche molto sottili, d’oro e di

alluminio, sospese ad un asticella metallica.allo scopo di

proteggere le foglie dei movimenti dell’aria che ne

alzerebbero la posizione queste sono contenute involucro

di vetro; l’asticciola esce dall’involucro attraverso un

tappo di ottimo materiale isolante, ad esempio Ambra. Se

si tocca con una bacchetta carica l’estremità

dell’asticciola le due fogli acquistano dalla bacchetta

tramite l’asticciola una data carica, dello stesso segno,

per cui tendono a divergere. L’equilibrio statico di

ciascuna foglia, caratterizzata da un certo angolo di

riflessione α. L’Elettroscopio permette di riconoscere il

segno relativo della carica dei corpi. Elettroscopio

precedentemente caricato con una carica di un dato segno

con una bacchetta carica con lo stesso segno fa sí che la

deflessione delle foglie aumenti, mentre se la carica della

bacchetta di segno opposto la deflessione diminuisce.

1.2 Struttura elettrica della materia

I fenomeni descritti finora si spiegano in modo coerente con l’ipotesi della preesistenza delle

cariche elettriche nei corpi, ovvero che l’ipotesi che i costituenti elementari della materia

possiedono carica elettrica.

Per le nostre considerazioni possiamo dire che la materia stabile che ci circonda è formata da

tre costituenti elementari: il protone p, il neutrone n,l’elettrone e.

La massa del protone è uguale alla massa del neutrone e vale mp =mn , uguale 1,67 10 alla

×

-27 kg .

la massa dell’elettrone é me= 9,11 10 alla -31 kg.

×

La carica elettrica dell’elettrone è la più piccola osservata sperimentalmente: e se chiamata

carica elementare ed è indicata con -e; il segno evidenza l’assunzione che la carica

dell’elettrone sia negativa. Il protone una carica positiva +e eguali in valore assoluto a quella

dell’elettrone, invece l’elettrone ha carica elettrica nulla.

I tre costituenti si aggregano in strutture che si chiamano atomi. Precisamente è un certo

numero di protoni neutroni, legati dall’interazione forte costituiscono il nucleo dell’atomo, che

risulta quindi carico positivamente; attorno al nucleo si muove un numero di elettroni uguale

al numero di protoni sottrazione elettrica attrattiva esercitata dal nucleo .

La composizione di un atomo è descritta da due numeri:

• il numero atomico Z che dà il numero di protoni ed elettroni esistenti nell’atomo.

• Il numero di massa A=Z+N somma del numero Z di protoni e N neutroni che formano il

nucleo dell’atomo.

le proprietà di massa di un atomo sono rappresentati dal numero di massa A.

Il raggio di nucleo atomico è dato con buona approssimazione della formula:

=RoAll3 Ro= -

1 5 10

con u

.

.

Le proprietà elettriche di un atomo sono descritte dal numero atomico Z, in particolare della

configurazione degli Z elettroni attorno al nucleo dipendono la capacità di un atomo di legarsi

altri atomi e quindi le sue proprietà chimiche. Gli elettroni di un atomo, specialmente quelli

periferici, sono più o meno legati al nucleo: da ciò deriva la differenza tra materiali isolanti e

conduttori. negli isolanti gli elettroni sono ben vincolati al nucleo e non possono spostarsi

attraverso il corpo: gli isolanti non trasportano facilmente la carica. Mediante una

specificazione locale, quale lo strofini o con un panno, si può far passare, nei punti di contatto,

un certo numero N di elettroni e quindi una carica - q = -ne da un corpo C1 ad un corpo C2.

In conclusione un processo di carica per strofini io è un processo in cui vengono separate,

attraverso un agente meccanico, le cariche elettroni e trasferiti da un corpo ad un altro.lo

spostamento riguarda un numero intero di elettroni, cioè la carica trasferita poi assumere solo

valori multipli interi della carica elementare, la carica elettrica è quantizzata. Prima del nostro

finito la carica del pane della bacchetta entrambe nulle: tutti i corpi sono neutri, perché ogni

atomo costituente della materia è neutro. Dopo lo strofini io il pane la bacchettano acquista una

carica uguale opposta, ma nel suo complesso la carica totale del sistema hanno più bacchetta è

rimasta nulla.

Questa proprietà fondamentale di tutti i processi in cui compaiono cariche elettriche, nota

come principio di conservazione della carica elettrica, verificata senza nessuna eccezione

macroscopica che la tua amica e subatomica, si enuncia in modo seguente:

In un sistema elettricamente isolato la somma algebrica di tutte le cariche elettriche rimane

costante nel tempo ovvero si conserva.

Quando ad un atomo vengono aggiunti ho tolti elettroni si forma rispettivamente uno ione

negativo o uno ione positivo; in particolare il fenomeno di sottrazione di elettroni si chiama

ionizzazione. Gli atomi dei metalli hanno la proprietà di essere facilmente ionizzabili: uno più

elettroni degli stati più esterni della configurazione elettronica si comportano come elettroni

liberi e le proprietà conduttrici dei metalli sono dovute proprio a questo gas elettroni di

conduzione che si possono muovere liberamente nel corpo. Quando il conduttore non è isolato la

carica distribuisce su tutta la superficie di conduttore disponibile, ma essendo la superficie della

terra preponderante ne consegue che tutta la carica si disperde sulla terra il conduttore appare

scarico

Induzione elettrostatica.

Supponiamo ora che avvicinare una bacchetta carica positivamente ad un Elettro scoppio senza

toccarlo: divergono. Sotto l’azione della carica positiva un certo numero di elettroni liberi del

conduttore si porta sull’estremità superiore dell’asta e sulla parte più lontana, le foglie, eccesso

di carica positiva.se la bacchetta carica negativamente, le lezioni si muovono verso le foglie, su

che compare un eccesso di carica negativa. Allontanando la bacchetta si ripristinano le condizioni

iniziali, le foglie si chiudono. Questo processo di separazione della carica, caratteristico dei

conduttori, e noto come induzione elettrostatica

1.3 la legge di coulomb.

Con alcuni metodi opportuni è possibile

effettuare trasferimenti di carica tra corpi

per cui la carica totale di un corpo può FIL0 QUAREO

DI

>

risultare positiva, si dice che il corpo è & 91

carico positivamente, oppure negativa, si - j

dice che il corpo è carico negativamente. ~ 92

.

~

Per misurare operativamente la carica -

elettrica dei corpi carichi si stabilisce in ...

anzitutto di considerare eguali in grandezze

segno due cariche seguisse, poste la stessa

distanza dalla terza, agiscono su di essa Rappresentazione schematica della bilancia

con una forza uguale e dello stesso verso; torsione di coulomb.

si considerano eguali e di segno opposto

quando, nelle stesse condizioni, le forze

risultano uguali in modulo, ma di segno

opposto.

Siccome si può dimostrare che quando portiamo a contatto è un conduttore carico con un

Elettro scoppio questo acquista una carica proporzionale alla carica del corpo, diremo che due

corpi hanno la stessa carica quando, posti successivamente a contatto con l’Elettro scoppio

scarico, fanno deviare le foglie dello stesso angolo. Una carica sarà maggiore di un’altra quando

farà divergere le foglie di un angolo maggiore dell’altro. Il confronto tra due cariche diverse

in modulo può diventare quantitativo solo se si conosce l’espressione della forza con cui

interagiscono le cariche elettriche. La formulazione precisa della legge della forza elettrica e

dovuta coulomb, il quale seguì nel 1785 una serie di misure sistematiche per stabilire la

dipendenza della forza tra due cariche dei valori Q1 e Q2 di queste e dalla loro distanza R.

Coulomb utilizza la bilancia di torsione mostrata schematicamente in figura.una sottile asta

isolante orizzontale è appesa al centro ad un filo di quarzo, di cui non te la costante elastica

di torsione Kt.ad un’estremità dell’asta è fissata una piccola sfera conduttrice che porta una

carica Q1, sull’altra estremità è fissato un opportuno contrappeso per garantire l’orizzontalità.

Il piano orizzontale contenente l’asta è posta una seconda sferette con carica Q2 a distanza R

da Q1. Per effetto della forza tra Q1 e Q2 l’asta compie solo una rotazione e raggiunge una

posizione di equilibrio individuata da un angolo θ di rotazione in cui il momento elastico kiθ

eguaglia il momento della forza elettrica.in sostanza il valore di F è dedotto dalla misura di θ.

9292

F M

=

La forza è direttamente proporzionale al prodotto delle cariche elettriche e inversamente

proporzionale Ne

108

R 9875

8 .

.

= I

= Gr50 ruoto

del

dielettrica

sostente

dove la

so è .

16-12

1

E0 =8 8362 .

.

= C K

i Ne

F I 9192

= ↑2

GEO

F I 9192