Fisica generale - elettromagnetismo e nozioni

Campo elettrostatico

Madre e figlia si divertono con l'elettricità

Madre e figlia si divertono con gli effetti dell’elettricità sui loro corpi. Ciascun capello si carica ed esercita una forza repulsiva sugli altri capelli determinando la “pettinatura” che si vede nella figura. La forza elettromagnetica fra le particelle cariche è una delle forze fondamentali della Natura.

Semplici esperimenti sull'elettricità

Un certo numero di semplici esperimenti dimostra l’esistenza delle forze elettriche e delle cariche. Per esempio, dopo aver passato il pettine sui capelli in una giornata secca, si può osservare che il pettine attrae dei pezzetti di carta. Un altro semplice esperimento consiste nell’osservare che un palloncino gonfiato, dopo essere stato strofinato con uno straccio di lana, aderisce a un muro anche per ore.

Si suol dire che i materiali, quando si comportano in tale modo, si sono elettrizzati ovvero che sono diventati carichi elettricamente. Si può anche elettrizzare facilmente il proprio corpo strofinando vigorosamente le proprie scarpe con uno straccio di lana.

Sperimentalmente si osserva che una bacchetta di bachelite appesa a un filo, dopo essere stata strofinata con un pezzo di pelliccia, viene attratta da una bacchetta di vetro strofinata con un panno di seta. Al contrario, se si avvicina alla bacchetta di bachelite appesa un’altra bacchetta di bachelite, anch’essa strofinata con un pezzo di pelliccia, si constata che le due bacchette si respingono.

Fenomeni di attrazione e repulsione

Se, sempre strofinando rispettivamente le bacchette di vetro e di bachelite allo stesso modo, si scambiano i ruoli dei due tipi di bacchette (vetro e bachelite), si constatano fenomeni analoghi per cui bacchette di tipo diverso (vetro e bachelite) si attraggono e bacchette dello stesso tipo (vetro con vetro) si respingono. Inoltre, si osserva che bacchetta di vetro e panno di seta si attraggono e analogamente si attraggono bacchetta di bachelite e pezzo di pelliccia.

N.B. Al posto di una bacchetta di bachelite si può utilizzare una bacchetta di qualsiasi materiale plastico con i medesimi risultati. Ripetendo l’esperienza con bacchette di molti materiali diversi strofinati con panni di materiali diversi si ottengono i seguenti risultati:

• Se A e B si attraggono, ci sono due categorie di bacchette:
  • Quelle che respingono A e attirano B
  • Quelle che attirano A e respingono B
• Le bacchette della stessa categoria si respingono tutte fra loro ed ognuna di esse attrae ogni bacchetta dell’altra categoria.

Conclusioni

I. Esistono due tipi di carica:

• Le bacchette della prima categoria hanno un tipo di carica
• Le bacchette della seconda categoria hanno carica di tipo opposto

II. Quando una bacchetta viene caricata per strofinamento con un panno essa riceve una carica opposta a quella del panno ed uguale in quantità. Quindi se un corpo si carica anche un altro corpo si carica ma con carica di tipo opposto.

Modello che spiega i fenomeni elettrici descritti

1. Nella materia esistono due tipi di carica elettrica, positiva e negativa. Nei corpi scarichi ci sono quantità uguali di carica positiva e negativa; quando i corpi vengono caricati per strofinio la carica elettrica si trasferisce dall’uno all’altro: alla fine uno dei corpi presenta un eccesso di carica positiva e l’altro un eccesso di carica negativa.
2. Corpi che hanno cariche dello stesso segno si respingono.
3. Corpi che hanno cariche di segno opposto si attraggono.

Intrinseca al modello è la legge di conservazione della carica. La carica elettrica non può essere né creata né distrutta; può soltanto essere trasferita. Quando si dice che un corpo possiede carica, si intende che possiede carica in eccesso.

Si è inoltre osservato (Millikan – 1909) che la carica elettrica si presenta sempre come multiplo intero di una unità fondamentale di carica indicata con q = Ne. Si può quindi scrivere dove N è un intero ovvero, come si suol dire, la carica è quantizzata.

Isolanti e conduttori

Sostanzialmente i materiali possono essere classificati in due categorie: conduttori e isolanti.

Conduttore: materiale attraverso il quale la carica può fluire facilmente, ad es. metalli buoni conduttori e cattivi isolanti. Isolante: materiale attraverso il quale la carica non può fluire liberamente, ad es. non metalli (plastiche, legno, ebanite) buoni isolanti e cattivi conduttori.

Carica di un conduttore per induzione elettrostatica

La carica per induzione elettrostatica è chiamata così perché si può caricare un corpo fatto di materiale conduttore avvicinandogli un altro corpo carico senza però che i due si tocchino.

• Una sfera conduttrice scarica poggia su un sostegno isolante.
• Una bacchetta caricata negativamente viene avvicinata alla sfera. Nella parte di sfera più vicina alla bacchetta eccesso di carica “+” e nella parte di sfera più lontana alla bacchetta eccesso di carica “-”. Infatti:
  • Cariche dello stesso segno si respingono.
  • Cariche di segno opposto si attraggono.
• La sfera viene messa a terra mentre la bacchetta è tenuta vicina e alcuni dei suoi elettroni la lasciano attraverso la connessione di terra.
• Il collegamento viene tolto mentre la bacchetta carica è ancora vicina: si constata che la sfera ha un eccesso di carica positiva che non è uniformemente distribuita.
• Dopo che la bacchetta carica è stata allontanata un eccesso di carica positiva uniformemente distribuito rimane localizzato sulla sfera. Infatti, alla rimozione del filo l’eccesso di carica resta intrappolato sulla sfera perché non può muoversi.

Induzione elettrostatica e isolanti

In generale nei corpi, e quindi negli isolanti, la maggior parte delle molecole neutre è tale che il centro delle cariche positive coincide con il centro delle cariche negative. Però, in presenza di un corpo carico, i centri di ogni molecola dell’isolante si spostano leggermente in direzioni opposte, per cui in definitiva è presente un maggior numero di cariche positive su un lato della molecola ed un maggior numero di cariche negative sull’altro. Questo orientamento delle cariche ha come risultato una carica indotta sulla superficie dell’isolante (detta anche carica di polarizzazione).

È evidente quindi che, avvicinando un pettine carico a dei pezzetti di carta, questi si polarizzino in maniera tale che le cariche affacciate al pettine siano di segno opposto a quella di quest’ultimo con una conseguente attrazione.

Isolanti e conduttori (II)

Se si provasse a caricare un materiale isolante per induzione non si otterrebbe alcun risultato. Infatti, come si è visto, gli isolanti si polarizzano ma le cariche non possono fluire in alcun modo fuori del conduttore. In un metallo sono gli elettroni che si spostano e per questo vengono detti “portatori di carica”.

In conclusione, i materiali possono essere:

• Conduttori (ad es. metallo): costituiti da un reticolo di ioni positivi fissi con elettroni in grado di muoversi (~1 elettrone/atomo secondo il materiale).
• Isolanti (ad es. plastica): elettroni trattenuti dai propri atomi o molecole e non possono passare da un sito molecolare a quello contiguo.
• Fluido conduttore (ad es. acqua salata): nell’acqua salata non ci sono elettroni liberi. Il sale si dissocia in ioni positivi e negativi e gli ioni, molto mobili, permettono la conduzione.