La carica e il suo trasferimento ELETTROSTATICA.

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1 La carica e il suo trasferimento ELETTROSTATICA marisa.michelini@uniud.it

2 Fase 1: strappo di nastro adesivo STRAPPO DA STESSA SUPERFICIE: Strisce di nastro adesivo strappate dalla stessa superficie si allontanano/respingono indipendentemente dall orientazione con cui sono attaccate o dalla loro lunghezza STRAPPO DA SUPERFICI DIVERSE: Strisce di nastro adesivo strappate da superfici diverse ora si allontanano ora si avvicinano RIVELATORE DI PROPRIETA Entrambe le strisce si allontanano se accostate a strisce strappate dalla stessa superficie di provenienza

3 Conclusioni: strappo di nastro adesivo Strisce strappate cambiano di stato Le strisce nello stesso stato si respingono E possibile avere due stati di elettrizzazione (A e B) a seconda della superficie: alcune producono cambiamento di tipo A, altre di tipo B. Strisce in stati diversi si attraggono

4 Fase 2: strofinio Cannucce strofinate con lo stesso panno si respingono e rotolano su un binario Strisce di carta plastificata strofinate sulla stessa superficie si respingono Una sola cannuccia strofinata non produce alcun effetto se accostata ad una seconda cannuccia non strofinata Cannucce strofinate con materiali diversi ora si respingono ora si attraggono, fino ad attaccarsi e poter così compensare la forza gravitazionale Un indicatore di elettrizzazione mostra che oggetti strofinati muovono le strisce: come i pezzi di nastro adesivo strappato o con attrazione simultanea (per i metalli tenuti in mano con un isolante)

5 Conclusioni: strofinio Strofinare oggetti produce lo stesso tipo di modifica che strappare strisce di nastro L effetto si ha solo se entrambi gli oggetti accostati si sono modificati: si tratta di una interazione La natura della modifica può essere descritta come capacità di esercitare/subire una forza Tutti gli oggetti possono essere dotati della proprietà, sia isolanti che conduttori La tipologia assunta (tipo A o tipo B) dipende dalla natura della coppia strofinante/strofinato

6 Fase 3: Le coppie strappate/strofinate tra loro Nastri adesivi strappati dopo essere stati sovrapposti si attraggono Mostrano entrambi un elettrizzazione, ma di tipo diverso, se accostati al rilevatore di elettrizzazione La divergenza dei nastri del rivelatore aumenta al diminuire della distanza tra i nastri che gli vengono avvicinati Se accostati dopo essere stati riuniti non mostrano elettrizzazione Etichette di carta plastificata strofinate tra loro si attraggono Una cannuccia e il materiale con cui è stata strofinata si attraggono

7 Conclusioni: le coppie strofinate/strappate tra loro Il processo di elettrizzazione, comunque sia avvenuto, modifica entrambi gli oggetti che lo hanno generato, ma con tipologie diverse e in modo tale che la riunione dei due oggetti fa scomparire ogni effetto, producendo un bilanciamento che sottintende un vincolo nel processo: gli effetti prodotti dallo strappo/strofinio sembrano uguali, nonostante i materiali siano ora gli stessi ora diversi

8 Fase 4: il movimento e il contatto Una bottiglia di plastica con striscioline metalliche ad una estremità viene strofinata all altra. Quando si accosta il rilevatore alla bottiglia solo la parte strofinata produce un effetto su di esso. Una lattina con striscioline metalliche ad una estremità viene strofinata all altra. Le striscioline si sollevano, allontanandosi dalla base della lattina e reciprocamente. La lattina viene messa a contatto con un oggetto precedentemente strofinato, che viene in seguito rimosso. Le striscioline si sollevano, allontanandosi dalla base della lattina e reciprocamente

9 Conclusioni: il movimento e il contatto Lo strofinio elettrizza sia isolanti che conduttori L effetto elettrizzante si trasferisce all interno del corpo soltanto nel caso dei metalli Il contatto tra un corpo elettrizzato e uno no rappresenta una ulteriore modalità di elettrizzazione, mantenendo la tipologia di carica del corpo elettrizzante

10 Fase 5: l induzione una lattina sospesa su un sostegno isolante Avvicino ad una estremità un oggetto elettrizzato Si sollevano i ciuffetti metallici all altra estremità. L effetto scompare allontanando l oggetto

11 Conclusioni: l induzione Non si è avuto contatto -> non c è stato scambio di carica, ma l effetto è lo stesso del contatto, gli elementi responsabili dell interazione (cariche) sono contenuti all interno degli oggetti prima di essere elettrizzati Non si nota alcun effetto se non si fa nulla in quanto le cariche dei due tipi sono presenti entrambe, dislocate in modo tale da annullare ogni effetto macroscopico sommando tutti i contributi singoli Le cariche presenti nell oggetto (lattina) si sono spostate a seguito dell azione delle cariche presenti sull oggetto l accumulo di cariche dello stesso tipo sulle striscioline le fa allontanare Allontanare l oggetto strofinato fa venir meno l azione sulle cariche presenti nella lattina, che, soggette solo alle interazioni reciproche, raggiungono nuovamente una dislocazione che compensa ogni contributo di interazione parziale (di coppia)

12 Fase 6: L elettroscopio Due foglioline metalliche sono sospese in un barattolo di vetro: avvicino un oggetto elettrizzato le foglioline divergono, allontanandolo ritornano allo stato iniziale. Se l oggetto tocca il sostegno sporgente delle foglioline la divergenza permane anche dopo il suo allontanamento. Se si avvicinano ora oggetti elettrizzati in modo diverso le foglioline possono divergere maggiormente (se si accosta lo stesso oggetto già in contatto, ad esempio) o richiudersi (se si accosta l oggetto con cui il precedente è stato strofinato, ad esempio)

13 Conduttore elettrico Isolante elettrico Conduttore elettrico=pessimo isolante elettrico Isolante elettrico=pessimo conduttore elettrico Isolante elettrico Conduttori elettrici NON ESISTONO ISOLANTI PERFETTI ESISTONO CONDUTTORI PERFETTI (SUPERCONDUTTORI) Elettrostatica

14 Modi per caricare i corpi strofinio contatto conduzione induzione Elettrostatica

15 Elettrostatica Utilizzare l induzione elettrica per caricare stabilmente un corpo

16 La divergenza delle foglie dell elettroscopio può essere In ogni caso assunta come indicatore della diversa carica presente su un corpo Elettrostatica

17 strofinio contatto conduzione induzione La carica trasferita è sempre minore di quella iniziale (sulla bacchetta) Elettrostatica

18 Fase 7: Isolanti e conduttori Si costruisce un pendolino (metallico o isolante) Lo si avvicina ad un oggetto elettrizzato (sia isolante sia conduttore) si ha un movimento del pendolino verso di esso, un contatto tra i due, per breve tempo, infine una repulsione

19 Conclusioni: isolanti e conduttori Tanto gli isolanti che i conduttori neutri hanno all interno cariche che risentono di una forza da parte di un oggetto elettrizzato; la modifica della disposizione delle cariche presenti all interno degli oggetti neutri porta le cariche ad addensarsi a diverse distanze rispetto all oggetto elettrizzato (più lontane le cariche omologhe) e quindi a contribuire in modo diverso alla forza complessiva tra oggetto elettrizzato e neutro. La forza netta risulta attrattiva, cosicché si arriva al contatto. Entrambi gli oggetti subiscono quindi un trasferimento di carica, in tempi diversi, Se sono elettrizzati nello stesso modo dell oggetto con cui erano in contatto, vengono respinti da esso.

20 MODELLO DI CONDUTTORE E DI ISOLANTE CONDUTTORE: una fila di lattine, tutte attaccate ISOLANTE: una fila di lattine, staccate l una dall altra

21 Fase 8: DISPOSIZIONE DELLA CARICA SUI METALLI Si prepara un foglio di alluminio sospeso tra 2 cannucce con striscioline da entrambe i lati Si tocca il foglio di alluminio con un oggetto strofinato e quindi elettrizzato. Le striscioline sulle due facce si sollevano entrambe. Si curva il foglio fino a fargli assumere una forma cilindrica: la strisciolina all interno si abbassa, quella all esterno diverge maggiormente. Si può curvare il foglio in verso opposto: il fenomeno si ripete. In un barattolo metallico con striscioline attaccate alle pareti si inserisce un oggetto elettrizzato, senza che tocchi le pareti: le striscioline divergono mentre l oggetto si trova all interno, si abbassano quando viene estratto. Se l oggetto tocca le pareti la divergenza diviene permanente

22 Induzione completa Sfera metallica cava Sfera metallica La carica trasferita è esattamente uguale a quella inducente La sfera inizialmente carica è completamente scarica Elettrostatica + + -

23 Multipli di una carica campione Sfera metallica cava _ - La carica restata sulla sfera è uguale ed opposta a due colte quella della sfera piccola La sfera inizialmente carica mantiene la sua carica iniziale Elettrostatica

24 Sottomultipli di una carica campione Sfera metallica Elettrostatica -

25 Conclusioni: disposizione della carica sui metalli La carica sul metallo si dispone sulla superficie esterna. Sulle pareti interne di un conduttore cavo non c è carica, che si dispone invece tutta sulle pareti esterne

26 Unità di misura della carica: Coulomb C Carica elettrone (protone) e= 1, C Ordine di grandezza della carica presente su una bacchetta strofinata: pc- C Elettrostatica

27 Fase 9: Il movimento della carica Si tocca la lattina con un oggetto elettrizzato (una lattina, dotata di striscioline ad una estremità, all altra estremità, in modo tale da osservare la divergenza delle striscioline). Allontanato l oggetto elettrizzato, si tocca la lattina: le striscioline si abbassano Si avvicina soltanto l oggetto strofinato, osservando ancora la divergenza delle striscioline. Si tocca ancora la lattina, osservando nuovamente l abbassarsi delle striscioline; si allontana l oggetto e si stacca il dito. Le striscioline sono come all inizio Si ripete l avvicinamento dell oggetto elettrizzato, si tocca nuovamente la lattina, osservando ancora un abbassamento delle striscioline; si toglie il dito e in seguito si allontana l oggetto elettrizzato. Si nota a questo punto un nuovo sollevamento delle striscioline, che indica elettrizzazione dell oggetto

28 Conclusioni: il movimento della carica Nel caso in cui sugli oggetti metallici sia presente una carica in eccesso essa passa attraverso il corpo e arriva alla Terra, in modo tale da annullare l eccesso La carica non si trasferisce in quanto in eccesso, ma in quanto in una diversa condizione in cui l oggetto elettrizzato l ha posta: l equilibrio raggiunto in sua presenza attraverso il trasferimento di carica (non in eccesso) diventa non equilibrio se esso viene allontanato senza dare alla carica la possibilità di ricomporre un nuovo equilibrio attraverso un passaggio di carica realizzato con il contatto con il dito.

29 (+8) - - (-2) Sfere metalliche?? Elettrostatica

30 (+8) ++ (+2) Sfere metalliche?? Elettrostatica

31 (+8) (0) Sfere metalliche?? Elettrostatica

32 (+8) (-8) Sfere metalliche?? Elettrostatica

33 (+8) (-6) Sfere metalliche?? Elettrostatica

34 (+8) (+6)?? Elettrostatica

35 (+8) (-8) Le cariche non si distribuiranno in parti uguali sui due conduttori. Si distribuiranno in modo che venga raggiunto un nuovo stato di equilibrio. Diremo che esse saranno all equilibrio se avranno lo stesso potenziale. Elettrostatica

36 Misurare il trasferimento di carica Sensori di carica

37 Il sistema e gli strumenti per la misura Gabbia di Faraday schermata Sensore di carica dalla gabbia al calcolatore Palette di materiale diverso

38 Studio dell elettrizzazione con misure di carica Situazione: due palette di materiale diverso vengono strofinate tra loro. Misura: inserire un oggetto elettrizzato in un contenitore metallico Ciò influenza le cariche presenti all interno di questo; misurare questo effetto significa avere una misura indiretta- della carica presente sull oggetto.

39 Palette strofinate tra loro Per misurare la carica presente sulla paletta la si inserisce nella gabbia, senza toccarla.. e il grafico si modifica. poi si inserisce la paletta bianca e il grafico si modifica ancora.. Infine, entrambe le palette vengono inserite

40 Palette strofinate tra loro Qual è la carica sulla paletta bianca? Qual è la carica sulla paletta blu? Qual è la carica quando si inseriscono entrambe le palette?

41 La gruccia e la sfera Sistema: Isolante strofinato a contatto con metallo non elettrizzato Problema 1: Si ha trasferimento di carica dall isolante al metallo? Problema 2: La carica si trasferisce del tutto o in parte?

42 La gruccia e la sfera Sistema: Isolante strofinato a contatto con metallo non elettrizzato Problema 1: Si ha trasferimento di carica dall isolante al metallo? Si, il contatto tra isolante e metallo è una modalità per elettrizzare quest ultimo con trasferimento di carica Problema 2: La carica si trasferisce del tutto o in parte? Si trasferisce solo parte della carica presente sull isolante

43 SFERE DI DIMENSIONI UGUALI, UNA CARICA E UNA NO Problema 3: Dopo il contatto tra due sfere delle stesse dimensioni, una elettrizzata e una no, come si dispone la carica su di esse? A+ + B + +

44 SFERE DI DIMENSIONI UGUALI, UNA CARICA E UNA NO Problema 3: Dopo il contatto tra due sfere delle stesse dimensioni, una elettrizzata e una no, come si dispone la carica su di esse? La carica inizialmente presente sulla sfera singola si suddivide in due parti uguali: metà della carica iniziale rimane sulla prima sfera, metà si trasferisce sulla seconda A+ + B + + [Q A + Q B ] prima = [Q A + Q B ] dopo

45 SFERE DI DIMENSIONI DIVERSE, QUELLA GRANDE CARICA Problema 4: Se le dimensioni delle sfere sono diverse, quale sarà la disposizione finale? + C + Problema 5: La disposizione osservata potrebbe essere dovuta ad un contatto troppo breve? Problema 6: Quale relazione c è tra le dimensioni delle sfere e la disposizione di cariche? + D

46 SFERE DI DIMENSIONI DIVERSE, QUELLA GRANDE CARICA Problema 4: Se le dimensioni delle sfere sono diverse, quale sarà la disposizione finale? Sulla sfera di dimensioni minori c è una minore quantità di carica + C + [Q A + Q C ] prima = [Q A + Q C ] dopo Problema 5: La disposizione osservata potrebbe essere dovuta ad un contatto troppo breve? Ripetendo il contatto nulla cambia Problema 6: Quale relazione c è tra le dimensioni delle sfere e la disposizione di cariche? Minore il raggio della sfera, minore la quantità di carica trasferita + D [Q B + Q D ] prima = [Q B + Q D ] dopo

47 SFERE DI DIMENSIONI UGUALI E CARICHE Problema 7: Se le sfere sono inizialmente cariche, entrambe dello stesso segno, quale sarà la disposizione delle cariche dopo il contatto se le sfere hanno le stesse dimensioni?

48 SFERE DI DIMENSIONI UGUALI E CARICHE Problema 7: Se le sfere sono inizialmente cariche, entrambe dello stesso segno, quale sarà la disposizione delle cariche dopo il contatto se le sfere hanno le stesse dimensioni? Le cariche si trasferiscono fino a che entrambe le sfere di uguali dimensioni sono cariche nella stessa misura [Q A + Q B ] prima = [Q A + Q B ] dopo

49 SFERE DI DIMENSIONI DIVERSE E CARICHE Problema 8: Se le sfere, di dimensioni diverse, sono entrambe elettrizzate con carica dello stesso tipo ma in misura diversa, quale sarà la disposizione finale?

50 SFERE DI DIMENSIONI DIVERSE E CARICHE Problema 8: Se le sfere, di dimensioni diverse, sono entrambe elettrizzate con carica dello stesso tipo ma in misura diversa, quale sarà la disposizione finale? Le cariche si trasferiscono in modo tale da aumentare la differenza tra le cariche presenti sulle sfere rispetto a prima del contatto [Q C + Q D ] prima = [Q C + Q D ] dopo

51 Osservare l esperienza complessivamente [Q A + Q B ] prima = [Q A + Q B ] dopo [Q A + Q C ] prima = [Q A + Q C ] dopo A+ + B C + + D [Q B + Q D ] prima = [Q B + Q D ] dopo [Q C + Q D ] prima = [Q C + Q D ] dopo

52 RIPERCORRE L ESPERIENZA A C D B Due sfere uguali, una carica e una no: si trasferiscono metà delle cariche Disposizione(A) = Disposizione(B). La disposizione a trasferire carica si può indicare con la carica: D = D(Q) Due coppie di sfere, ciascuna coppia con una sfera di dimensioni e carica fisse e una seconda sfera scarica più piccola, di dimensioni diverse in ciascuna coppia: D(A) = D(C), D(B) = D(D), ma Q(A)<Q(B), quindi D(A)<D(B) (A e B hanno pari dimensioni), quindi D(C)<D(D) poiché D(A) = D(C) e D(B) = D(D). D = D(dimensioni) Due sfere uguali, con diversa quantità di carica su di esse: D(A) = D(B) Due sfere diverse, con diversa quantità di carica su di esse: ΔQ aumenta

53 Un generatore di potenziale è collegato alle tre sfere; il potenziale fornito è pari a 1kV, 2kV, 3kV: su ciascuna sfera si osserva proporzionalità diretta tra la carica misurata e il potenziale fornito: Q = CV La costante di proporzionalità cambia a seconda della sfera, aumentando al crescere del raggio: C=kR Il potenziale sulle sfere risulta direttamente proporzionale alla carica presente su di esse e inversamente proporzionale al raggio della sfera: V=kQ/R Il potenziale