L elettrizzazione. Progetto: Istruzione di base per giovani adulti lavoratori 2 a opportunità

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1 1 L elettrizzazione Si può notare che corpi di materiale differente (plastica, vetro ecc.) acquisiscono la proprietà di attirare piccoli pezzetti di carta dopo essere stati strofinati con un panno di stoffa o di lana. Un comportamento identico era stato osservato nell ambra già dagli antichi greci Nel XVI secolo l inglese William Gilbert introdusse il termine elettricità perchè élektron è il nome greco dell ambra. Dire che un corpo è elettrizzato significa che si comporta come l ambra. L esperienza dimostra che esistono due tipi di elettrizzazione e questo ha portato in passato a distinguere fra elettrizzazione positiva e negativa. Questo risultato è verificabile attraverso l osservazione di semplici esperienze. 1. Due bacchette di vetro o di plastica si respingono dopo che sono state elettrizzate con un panno di lana;. Una bacchetta di plastica elettrizzata attira sempre una bacchetta di vetro elettrizzata. Prof. Daniele CUSCITO A. S ITIS E. Fermi - Francavilla F. (BR)

2 3. Una qualsiasi bacchetta elettrizzata che esercita una forza repulsiva/attrattiva su una bacchetta di vetro, esercita una forza attrattiva/repulsiva su una bacchetta di plastica. Il fenomeno dell elettrizzazione è comprensibile solo se si fa riferimento alla struttura atomica della materia. I corpi sono composti da atomi che a loro volta sono costituiti da protoni (particelle cariche positivamente) e neutroni che si trovano nel nucleo atomico e da elettroni (particelle cariche negativamente) che orbitano attorno al nucleo. La carica elettrica posseduta da ciascun elettrone è in modulo uguale a quella posseduta da un protone.. e = - 1, C p = 1, C. Siccome all interno dell atomo gli elettroni e protoni sono in ugual numero l atomo risulta elettricamente neutra Attraverso lo strofinio il corpo cede o acquista degli elettroni e quindi si carica positivamente o negativamente. Negli esempi fatti, la plastica si carica negativamente mentre il vetro si carica positivamente. Il panno di lana è il corpo che nel primo caso cede elettroni e nel secondo caso li acquista. Prof. Daniele CUSCITO A. S ITIS E. Fermi - Francavilla F. (BR)

3 3 La legge di Coulomb Charles Augustin Coulomb è stato il fisico francese che nel 700 ha caratterizzato la forza elettrica esercitata fra due corpi puntiformi e carichi. Le osservazioni da lui raccolte possono essere così riassunte: a. la forza scambiata da due cariche puntiformi ha come direzione la retta che congiunge le due cariche; b. la forza è attrattiva se le cariche sono di segno opposto ed è repulsiva se le cariche sono dello stesso segno; c. l intensità della forza è direttamente proporzionale al prodotto delle cariche Q1 e Q; d. l intensità della forza è inversamente proporzionale al quadrato della distanza fra le due cariche (r). La legge di Coulomb può essere riassunta attraverso la seguente formula: F = k Q1 r Q k = costante di proporzionalità = N m /C Il coulomb è la carica elettrica che, disposta nel vuoto alla distanza di 1 m da una carica uguale, la respinge con una forza pari a N Prof. Daniele CUSCITO A. S ITIS E. Fermi - Francavilla F. (BR)

4 4 Il campo elettrico Dalla legge di Coulomb discende che una carica positiva/negativa Q esercita su un altra carica positiva q, posta in punto P a distanza r da Q, una forza repulsiva/attrattiva. La presenza di Q modifica le caratteristiche dello spazio circostante e questa modifica si manifesta non appena si dispone nelle vicinanze di Q una carica q. Analogia. Un boccino appoggiato su di un materasso rimane fermo nella posizione in cui è stato disposto. Se una boccia viene posta sul materasso prima del boccino allora il materasso subirà una deformazione e il boccino risentirà di una spinta verso il basso. La boccia ha modificato le caratteristiche dello spazio circostante. Per descrivere ciò che avviene nello spazio attorno a una carica Q, utilizziamo una grandezza fisica vettoriale chiamata campo elettrico E. 1. L intensità di E, in un punto P, è il rapporto tra la forza agente su q e il valore di q.. E possiede la stessa direzione e lo stesso verso della forza agente su q. 3. N/C è l unità di misura di E. E = k Q r In un punto generico P, il campo elettrico prodotto da diverse cariche, Q1, Q, è dato dalla somma vettoriale dei campi elettrici prodotti da ciascuna carica. E 1 k Q = (r 1 1) E = k Q (r ) Prof. Daniele CUSCITO A. S ITIS E. Fermi - Francavilla F. (BR)

5 5 Consideriamo il campo generato da due cariche puntiformi e di segno opposto. Una carica q che si trova nel campo si sposta dalla carica positiva a quella negativa perché è respinta dalla carica positiva ed è attratta dalla carica negativa. In figura sono disegnate alcune delle possibili traiettorie che la carica può descrivere spostandosi nel campo generato dalle due cariche. Queste traiettorie sono chiamate linee di forza del campo elettrico. Un campo elettrico si stabilisce all interno di un conduttore metallico quando i suoi estremi vengono collegati ai poli di un generatore di differenza di potenziale (pila, batteria, alternatore..). Sotto l azione di questo campo gli elettroni liberi del metallo si spostano dal polo negativo a quello positivo. Il generatore, al suo interno, sfrutta dell energia chimica o magnetica per portare gli elettroni dal polo negativo a quello positivo. Prof. Daniele CUSCITO A. S ITIS E. Fermi - Francavilla F. (BR)

6 6 La differenza di potenziale Un corpo di massa m, posto nelle vicinanze della Terra, risente della forza peso che lo spinge verso il basso. Dal punto di vista energetico il corpo si porta da una posizione in cui ha una certa energia potenziale ad un altra in cui l energia potenziale è minore. Il lavoro fatto dalla forza peso è pari a: L = F spostamento p p Lp = m g (h1 h) Lp = m (g h1 g h m = massa del corpo g = accelerazione di gravità h = altezza a cui si trova il corpo g h = potenziale gravitazionale. ) Una carica elettrica q risente di una forza elettrica se si trova in una regione spaziale dove è presente un campo elettrico. Anche in questo caso la carica si sposta e la sua energia potenziale diminuisce. Il lavoro elettrico è pari a LE = q (V1 V ) q = carica elettrica spostata V = potenziale elettrico (volt = V) La differenza di potenziale esistente fra due punti è pari al lavoro fatto dal campo per spostare una carica q dalla posizione 1 alla posizione e la carica stessa.. A differenza della massa, le cariche possono essere sia positive che negative. Per convenzione diciamo che una carica positiva si sposta dal potenziale maggiore a quello minore mentre una carica negativa si sposta portandosi dal potenziale minore a quello maggiore. Dal punto di vista energetico, un generatore di differenza di potenziale è in grado di generare un dislivello energetico fra i suoi poli. Gli elettroni liberi del conduttore collegato ai suoi estremi risentono di questo dislivello energetico e si spostano dal polo negativo a quello positivo. La differenza di potenziale prodotta da un generatore di d.d.p. può essere costante nel tempo (d.d.p. continua) o può variare con regolarità nel tempo ( d.d.p. alternata). Prof. Daniele CUSCITO A. S ITIS E. Fermi - Francavilla F. (BR)

7 7 Il condensatore Un condensatore è un dispositivo in grado di accumulare carica elettrica. Esso è formato da due armature metalliche e da un isolante interposto fra queste. Le sue armature si caricano elettricamente se vengono collegate ai poli di un generatore di differenza di potenziale. Infatti il generatore rimuove degli elettroni dall armatura collegata al polo positivo e li accumula sull altra armatura. In commercio esistono differenti tipi di condensatori che si differenziano per i materiali usati e per la forma. Si dimostra che la carica Q che si accumula sull armatura positiva, è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale applicata. La costante di proporzionalità C è detta capacità del condensatore e la sua unità di misura è il farad (F). La legge che lega Q a ΔV è: Q = C ΔV Prof. Daniele CUSCITO A. S ITIS E. Fermi - Francavilla F. (BR)