Elettrizzazione per strofinio

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Monica Pugliese
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1 Elettrizzazione per strofinio L elettrizzazione è un processo mediante il quale una sostanza neutra, cioè che presenta un numero di cariche + e uguali tra loro, acquisisce una carica netta di uno dei due segni, cioè presenta rispettivamente un numero di elettroni inferiore o superiore al numero di protoni. Uno dei meccanismi mediante il quale una sostanza può essere elettrizzata è lo strofinio; strofinando, infatti, con un panno di lana od una sostanza isolante un oggetto, si compie un lavoro meccanico e si fornisce energia agli elettroni presenti negli atomi tale da produrre un processo di ionizzazione (bisogna fornire un energia pari al potenziale di ionizzazione, cioè l energia che serve agli elettroni di valenza per vincere le forze di interazione che li mantengono legati all interno dell atomo). Alcuni materiali, tipo l ebanite, acquisiscono gli elettroni fuoriusciti dal panno di lana e diventano elettricamente negativi, altre sostanze, come il vetro, perdono gli elettroni acquisiti da panno di lana e diventano elettricamente positivi. Si possono elettrizzare in tal modo sia conduttori che isolanti, ma, nel caso dei conduttori è necessario maneggiare la sostanza strofinata con un manico isolante, al fine di non disperdere a terra l eccesso di carica che si era prodotta.

2 Elettrizzazione per contatto Un altro modo per elettrizzare un corpo neutro è quello di metterlo in contatto diretto con un altro corpo carico, determinando in tal modo un passaggio di elettroni da un oggetto all altro. Possono essere elettrizzate per contatto solo le sostanze conduttrici (ad esempio i metalli), dotati di elettroni liberi e non vincolati ai rispettivi atomi, per cui un ottimo metodo per capire se una sostanza è conduttrice è quello di metterla in contatto con un corpo conduttore carico; se essa si elettrizza, questa è una prova lampante della sua natura conduttrice. Infatti, solo mettendo in contatto dei conduttori si determina un ampliamento del volume disponibile per il mare di elettroni di valenza messi in compartecipazione dai vari atomi nei metalli. Di conseguenza, mettendo in contatto un conduttore negativo ed uno neutro, elettroni passano dal primo al secondo elettrizzandolo negativamente, mentre mettendo in contatto un conduttore positivo e uno neutro, elettroni passeranno dal conduttore neutro al corpo carico positivamente neutralizzando parzialmente la sua carica, e creando nel primo un eccesso di protoni. Le sostanze isolanti, al contrario, non possono essere elettrizzate per contatto, in quanto presentano solo elettroni interni (di core ) vincolati ai propri atomi e che quindi non hanno la possibilità di passare da un corpo all altro. Si utilizzano tali sostanze per evitare il contatto diretto con corpi carichi ed evitare quindi di essere attraversati da correnti elettriche pericolose per la salute e per isolare corpi carichi tra loro al fine di evitare la produzione di cortocircuiti.

3 Elettrizzazione per induzione Un altro modo per elettrizzare un corpo neutro è il processo di induzione elettrostatica, che consiste nell avvicinare, senza che avvenga il contatto, un corpo carico ad uno neutro. Il corpo carico si chiama induttore, mentre quello neutro, che viene elettrizzato, indotto. Il meccanismo fisico del processo di induzione risulta fondamentalmente differente a seconda che l indotta sia un conduttore o un isolante. Nel primo caso, avvicinando un induttore positivo, agisce la forza di Coulomb (la forza di interazione elettrica) attrattiva sul mare di elettroni, per cui essi presenteranno un elevata probabilità di trovarsi nella zona dell indotto vicino all induttore (che quindi assume una carica parzialmente negativa) ed una ridotta probabilità di trovarsi nel lato opposto (che, povera di elettroni, assume una carica parzialmente positiva). L indotto rimane quindi nel complesso neutro ma diventa localmente carico e viene a formarsi quindi al suo interno un dipolo. Se adesso il corpo viene diviso in due parti o lo stesso era formato da due conduttori posti a contatto diretto, si otterranno due oggetti aventi carica + e di uguale intensità. Nel secondo caso, pur se la forza di Coulomb continua ad agire, non esistendo nell isolante cariche libere, la formazione di dipoli avviene solamente a livello atomico, e tali dipoli si dispongono in maniera ordinata orientandosi rispetto all induttore (polarizzazione per orientamento). Si produce così tra l induttore e l indotto una debole attrazione, in quanto l attrazione tra la carica dell induttore e la carica opposta del dipolo più vicina è leggermente maggiore della repulsione tra la stessa carica dell induttore e la carica dello stesso segno del dipolo. Risulta così spiegato il fenomeno per il quale una sostanza isolante, elettrizzata per strofinio, assume la capacità di attirare piccoli pezzetti di carta, in contrasto con la gravità.

4 La polarizzazione dell isolante presenta degli effetti pratici come lo schermaggio dei campi elettrici, la riduzione della forza elettrica tra cariche elettriche e l aumento della capacità dei condensatori quando tra le armature venga interposta una sostanza dielettrica (isolante).

5 Forza di Coulomb Le cariche elettriche interagiscono con una forza direttamente proporzionale alle cariche e inversamente proporzionale al quadrato della distanza, moltiplicato per una costante di proporzionalità k (costante di Coulomb) F k Q Q r 1 Esse si attraggono se le cariche sono di segno opposto e si respingono se sono dello stesso segno. Questa legge fu scoperta da Coulomb e viene chiamata con il suo nome. Si noti la somiglianza formale con la legge di gravitazione universale di Newton m m F G r 1 con le masse al posto delle cariche e la costante di Cavendish G al posto della costante di Coulomb. A causa del valore estremamente diverso delle due costanti, ( ( k 9 1 N m kg 9 G N m C ) la forza gravitazionale è significativa solo se una delle due masse è di dimensione planetaria, mentre la forza di Coulomb assume valore significativo anche per cariche non molto elevate. Entrambe diminuiscono con l inverso del quadrato della distanza e, mentre la forza gravitazionale è solo attrattiva, quella elettrica è sia attrattiva che repulsiva. Il valore di k precedentemente detto è valido se le cariche sono poste nel vuoto. E possibile esprimere anche la costante di proporzionalità mediante una nuova costante, la ) e costante dielettrica del vuoto 1 4 relazione k. C N m legata alla costante k dalla

6 Nel caso in cui il mezzo interposto è diverso dal vuoto si introduce una nuova costante 1 k 4, con costante dielettrica assoluta del mezzo, il cui valore dipende dalle caratteristiche microscopiche del mezzo materiale. Risultando consegue che k k e F F, cioè la forza di Coulomb si riduce se esiste un mezzo tra le cariche. Il rapporto F r viene chiamata costante dielettrica F relativa e rappresenta quante volte la forza tra le cariche nel vuoto è più grande di quella nel mezzo. Per esempio, essa vale 8 per l acqua, 43 per la glicerina, 3.5 per la carta,.3 per il polietilene,.6 per il polistirolo,.1 per il teflon. Il cloruro di sodio (sale da cucina) è un cristallo ionico che presenta in aria una struttura solida ad opera delle interazioni elettriche attrattive tra gli ioni sodio + e cloro -, essendo la distribuzione degli atomi nel reticolo cristallino tendente ad esaltare le interazioni attrattive e ridurre quelle repulsive. Se il sale viene posto in acqua, subisce la dissociazione elettrolitica e passa in soluzione con il disgregamento dell edificio cristallino. Le molecole dell acqua sono infatti polari e, insinuandosi tra gli ioni del reticolo, determinano forze attrattive che tendono a disgregare il reticolo. L effetto complessivo può essere macroscopicamente calcolato assegnando all acqua una costante dielettrica relativa avente il valore di circa 8. La particolare forma della forza di Coulomb è legata a stretto contatto con l assenza di interazioni di tipo elettrico all interno di un conduttore metallico cavo. Si può dimostrare che le cariche di un conduttore metallico si distribuiscono solo sulla superficie esterna e che l effetto complessivo di forza prodotta da queste cariche o da altre cariche poste all esterno, in un punto interno è sempre nullo. Un qualunque conduttore metallico cavo risulta quindi essere uno schermo per qualunque tipo di interazione elettrica presente all esterno (gabbia di Faraday). La spiegazione teorica di questo effetto è strettamente legata al fatto che forza di Coulomb dipende dall inverso del quadrato della distanza.

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