ESPERIENZE ELEMENTARI DI ELETTROSTATICA

Transcript

1 ESPERIENZE ELEMENTARI DI ELETTROSTATICA Attrazione e repulsione tra corpi elettrizzati carica elettrica Scoprire le interazioni elettriche tra corpi elettrizzati. 2 bacchette trasparenti di plexiglas e 2 bacchette scure di PVC; sostegno con gancio e panno di seta per il plexiglas e panno di lana per il PVC. Esercitazione Avvicinate una bacchetta chiara e poi una bacchetta scura a piccoli pezzetti di carta posti sul tavolo. Notate qualcosa?... Ripetete l operazione, dopo aver strofinato le estremita delle due bacchette con il rispettivo panno. Cosa notate?... Strofinate una delle 2 bacchette con il panno e avvicinatela ad un piccolo getto d'acqua che scorre dal rubinetto del vostro laboratorio. Che cosa notate?... Diciamo che le bacchette - inizialmente neutre - nello strofinio si sono elettrizzate ovvero hanno acquistato una carica elettrica. Ponete ora la bacchetta di PVC, strofinata, nel gancio del sostegno e avvicinate alla sua estremità una bacchetta di PVC strofinata. Che tipo di interazione si esercita tra le due bacchette di PVC elettrizzate?... Che tipo di interazione si esercita tra la bacchetta di PVC e quella di plexiglas?... Che tipo di interazione si esercita tra 2 bacchette di plexiglas?... Copleta ora la tabella inserendo una crocetta nella colonna corretta. Attrazione Repulsione PVC-PVC PVC-plexiglas o plexiglas-pvc plexiglas-plexiglas Avvicinate alla bacchetta PVC elettrizzata sul sostegno un altra bacchetta di PVC elettrizzata, facendo man mano diminuire la distanza tra i due corpi. L interazione e piu intensa quando i corpi elettrizzati sono più vicini o quando sono più lontani?... Per un convenzione che risale a Franklin,tutti i materiali come il vetro e il plexiglas, strofinati con un panno di seta assumono una carica positiva ( la seta una carica negativa), mentre tutti i materiali come l'ambra e e il PVC, strofinati con un panno di lana assumono una carica elettrica negativa (il panno di lana una carica positiva). 1

2 Elettroscopio a foglie comprendere il funzionamento di un elettroscopio comprendere l'elettrizzazione per contatto comprendere la differenza tra conduttori e isolanti Materiale elettroscopio a foglie storico, elettroscopio di Kolbe, 2 sferette metalliche di diverso diametro, foglio di alluminio e penna, manico di plastica, gommapiuma Osservazione dell'elettroscopio storico Si tratta di uno strumento costituito da un' asta... verticale, con in alto una... conduttrice e in basso due..., di alluminio o d'oro. Le foglioline sono racchiuse per protezione in...che serve anche da sostegno. Esso è utilizzato per per sapere se un oggetto è... Fai uno schizzo dell'elettroscopio a foglie. Osservazione dell'elettroscopio di Kolbe Trova le analogie e le differenze tra l'elettroscopio di Kolbe e l'elettroscopio a foglie Tocca ora il la sfera metallica con una bacchetta di PVC carica. La...elettrica passa nell'elettroscopio per... e si... uniformemente sulla parte interna metallica. Fai uno schizzo. Le foglioline... perchè cariche... si respingono. Tocca ora con la mano la sferetta. La carica elettrica si... a terra attraverso il tuo... 2

3 Esercitazione Inserisci una sfera metallica nel suo manico di plastica, carica l'elettroscopio di Kolbe con il piezoelettrico fino a raggiungere la posizione 4 dell'indice sulla scala graduata. Poni a contatto la sfera della bacchetta neutra con quella carica dell'elettroscopio. Che cosa noti?... Di quanto si abbassa l'indice sulla scala graduata?... Riporta l'indice alla posizione 4 e tocca l'elettroscopio con una sfera più grande inserita nel suo supporto isolante. Che cosa noti?... Di quanto si abbassa l'indice sulla scala graduata?... Parte della carica elettrica è passata per..., dall'elettroscopio alla bacchetta metallica che si è... Prova ora a toccare, per un istante, con una bacchetta di plastica neutra la sferetta carica dell'elettroscopio. Di quanto si abbassa l'indice sulla scala graduata?... Interpretazione dei risultati L'esperimento evidenzia il diverso comportamento dei metalli e della plastica (in generale degli isolanti).nei metalli la carica elettrica prodotta in una si distribuisce per contatto in tutto il corpo, mentre negli isolanti rimane localizzata nel punto di contatto tra il corpo carico e l'isolante. Inoltre si è notato che una sfera A cede ad una sfera B inizialmente neutra una carica che dipende dal rapporto tra i raggi delle 2 sfere. Se i raggi delle 2 sfere sono uguali ovviamente il corpo A cede al corpo B metà della sua carica, se invece la sfera B ha diametro maggiore della sfera A, A cede a B una quantità di carica superiore a quella che le rimane. 3

4 Induzione elettrostatica Scoprire che cosa è l induzione elettrostatica. 1 bacchetta di plastica, panno di lana, elettroscopio di Kolbe, con sferetta metallica bicchiere di faraday per elettroscopio, 2 elettroscopi a foglie con cilindro metallico. Esercitazione Avvicinate, senza che avvenga il contatto, una bacchetta di plastica elettrizzata per strofinio al pomo di un elettroscopio scarico. Cosa osservate?... Allontanate ora la bacchetta di plastica dall elettrometro. Cosa osservate?... Come interpretate questo fenomeno? Tenete presente che l aria e un isolante - solo in presenza di cariche molto grandi si puo avere un passaggio di cariche attraverso l aria e, in questo caso(v. l esempio del fulmine) viene evidenziato da una scintilla Questo fenomeno prende il nome di induzione elettrostatica. Il corpo elettrizzato che produce il fenomeno viene detto induttore e il conduttore che lo subisce indotto. La divergenza dell ago e maggiore quando l induttore e piu vicino o quando e piu lontano? Se non riuscite a interpretare il fenomeno eseguite l esperimento che segue. Ponete vicini 2 elettroscopi a foglie d oro aventi nella parte superiore un cilindro metallico al posto della solita sferetta. Unite i 2 elettroscopi in modo che i 2 cilindri siano a contatto. Avvicinate un corpo elettrizzato (induttore) a uno dei due cilindri, di lato ad esso. Cosa notate?... Anche in questo caso si ha il fenomeno dell induzione elettrostatica. Che avviene allontanando l induttore?... Ora allontanate i due elettroscopi in presenza dell induttore. Cosa osservate?... Cosa succede facendo toccare i due cilindri degli elettroscopi?... 4

5 ... Le cariche acquistate per induzione dai due elettroscopi erano: di segno uguale di segno opposto (barrare la casella della risposta giusta) Sai interpretare ora il fenomeno dell induzione elettrostatica osservato nella fase precedente? Cosa avviene in un conduttore neutro, quando ad esso si avvicina (senza toccarlo) un corpo elettrizzato (induttore)? Elettroforo di volta Conoscere le applicazioni dell'induzione elettrostatica. Conoscere il funzionamento dell'elettroforo di volta Base di plastica, elettroforo (piastra metallica rotonda con manico isolante), panno di lana, elettroscopio di Kolbe con sferetta metallica. Esecuzione Strofinate la base di plastica con il panno di lana, ed in seguito posizionavi sopra l'elettroforo, senza toccare con la mano la piastra metallica. Dopo qualche secondo prendete l'elettroforo dal manico e mettete la piastra a contatto con l'elettroscopio. Annotate la posizione dell'ago sulla scala graduata. Posizionate di nuovo l'elettroforo sulla base di plastica, toccate con la mano, come in figura, la piastra metallica, e poi mettete la piastra a contatto con l'elettroscopio. Annotate la posizione dell'ago sulla scala graduata. Nella prima parte dell'esperienza l'elettroforo si è caricato per..., ma dato che la base è di materiale..., la carica elettrica acquistata dall'elettroforo è minima. 5

6 Nella seconda parte dell'esperienza, le cariche elettriche dell'indotto si distribuiscono come in figura a, per il fenomeno... Toccando con un dito la piastra superiore metallica le cariche elettriche... si scaricano a terra e quindi l'elettroforo assume una carica... abbastanza intensa che puo' essere rilevata dall'elettroscopio. induzione totale pozzo di Faraday Scoprire che cosa è l induzione totale. 1 sferetta metallica con manico isolante, panno di lana o Van de Graaf per caricarla, elettroscopio di Kolbe su cui è posizionato il bicchiere di Faraday,. Esercitazione Avvicinate una sferetta di metallo elettrizzata con manico isolante all esterno del bicchiere metallico e osservate il variare della divergenza dell ago, al variare della distanza dell induttore. Poi inserite la sferetta nell interno del pozzo di Faraday senza che la sferetta tocchi l interno dello stesso. In quale posizione della sferetta induttrice osservate la massima divergenza dell ago (e quindi la massima carica indotta)? Ora fate toccare alla sferetta l interno del pozzo di Faraday. Cambia la divergenza dell ago?... Estraete ora la sferetta. La divergenza dell ago varia?... Portate la sferetta di metallo a contatto con un elettroscopio scarico. la sferetta e rimasta carica?... Il fenomeno osservato prende il nome di induzione totale. Conclusioni dell esperienza: 6

7 Pendolo elettrico Comprendere il funzionamento di un pendolo elettrico. 1 pendolo con pallina di alluminio, una sfera conduttrice con supporto isolante, generatore di Van der Graaf Esercitazione Collegate la gabbia superiore del generatore con un filo di rame ad una sfera metallica. Posizionate la pallina di polistirolo, in modo tale che sia vicina alla sfera metallica. Azionate il generatore Cosa osservate? Avvicinando la pallina a un corpo carico, si osserva dapprima una... seguita da una...dopo che pallina e corpo carico sono venuti a contatto. Il processo si spiega nel modo seguente: la pallina in presenza del corpo carico subisce il fenomeno dell'..., assumendo una carica...a quella della bacchetta nella parte più vicina e una carica... nella parte più lontana. Poiché cariche dello stesso segno si... e cariche di segno opposto si..., essendo le cariche di segno opposto le più vicine, prevale la forza attrattiva e il corpo elettrizzato attira il pendolino. Nel contatto una parte della carica della bacchetta passa nel pendolino neutralizzando le cariche di segno opposto. Il pendolino ha ora cariche dello stesso segno della bacchetta e viene dunque respinto. 7

8 Gabbia di Faraday Comprendere che cos'è uno schermo elettrostatico. Gabbia di Faraday, eletroscopio a foglie, panno di lana, bacchetta di plastica, generatore di Van der Graaf. Esercitazione Ponete un elettroscopio all interno della gabbia metallica (detta gabbia di Faraday) ed uno fuori. Quindi avvicinate ai due elettroscopi una bacchetta di plastica elettrizzata. Cosa osservate? L elettroscopio nella gabbia risente della presenza del corpo elettrizzato? e quello fuori?... Inserite ora delle foglioline di alluminio nella parte interna e esterna della gabbia e collegate la gabbia con il generatore di Van der Graaf. Cosa osservate? La gabbia metallica è quindi uno schermo elettrostatico. 8

9 Distribuzione delle cariche elettriche nei conduttori e potere delle punte Comprendere come si distribuiscono le cariche nei conduttori generatore di Van der Graaf, conduttore conico Esercitazione Utilizzate in questa fase il corpo metallico a forma cilindrica, cavo, con punta e con manico isolante. Collegate il corpo metallico con il generatore di Van der Graaf., attraverso un cavo di rame. Dopo che l'oggetto si è caricato, spegnete il generatore e con una sferetta metallica con manico isolante toccate l interno del corpo, portando poi la sferetta a contatto con l elettroscopio. L elettroscopio rivela la presenza di cariche all interno del corpo?... Ripetete l esperienza toccando con la sferetta l esterno del corpo. L elettroscopio rivela la presenza di cariche sulla superficie esterna?... Ripetete l esperienza toccando con la sferetta la punta del cono. L elettroscopio rivela la presenza di cariche sulla punta?... Conclusioni Le cariche elettriche si distribuiscono... e si accumulano maggiormente nelle... 9

10 Potere delle punte e generatore di Van der Graaf In prossimità delle punte di un conduttore carico positivamente P, le cariche elettriche si addensano. Il conduttore neutro C, posto nelle vicinanze di P, si caricherà per......,... nella parte più vicina e... nella parte più lontana. Il campo elettrico sulla punta è tanto intenso da ionizzare le molecole che costituiscono l'aria tra P e C, producendo coppie di ioni positivi e negativi. Gli ioni negativi, attratti dal conduttore P, vengono a contatto e neutralizzano la sua carica. Gli ioni positivi invece sono respinti verso il conduttore C e, dopo essere venuti a contatto neutralizzano la carica negativa. Pertanto, per effetto di tale processo di ionizzazione e movimento di ioni, P si scarica e C si carica positivamente, cioè della stessa carica posseduta inizialmente da P. (figura sinistra) Supponiamo ora che C sia carico positivamente e che P sia inizialmente neutro. In tal caso per effetto dell'induzione elettrostatica il conduttore P si carica... nella parte vicina a C e...nella parte più lontana. Successivamente, per mezzo del processo di ionizzazione e del conseguente movimento di ioni viene neutralizzata sia la sia la carica... di C che quella... di P. Di conseguenza P rimane carico positivamente, cioè della stessa carica..., mentre C si scarica. Anche in questo caso le cose avvengono come se la carica passasse da C a P. L'effetto punta e l'induzione elettrostatica sono i principi su cui lavora, ad esempio, il generatore di Van de Graaf. Le cariche elettriche fornite da un piccolo generatore G, sfuggono da un pettine P, vanno sulla cinghia che le trasporta in un conduttore S, attraverso un ulteriore pettine P'. 10

11 Precipitatore elettrostatico di fumi Materiale : beuta, generatore di Van de Graaf, pompetta, sigaretta. Esecuzione Nella parte alta della beuta fuoriesce un tubo di gomma nel quale va inserita una sigaretta accesa. In un altro punto della beuta fuoriesce un tubo nel quale va collegata la pompetta aspira fumo. All'interno della beuta è presenta un elettrodo a punta ; fra la beuta e il piano è inoltre inserito un piatto metallico, destinato a fungere da secondo elettrodo. Gli elettrodi vanno collegati a un generatore di alta tensione o a una macchiuna elettrostatica. Inizialmente colleghiamo quello a punta con il polo negativo e il piatto con quello positivo. Dopo aver aspirato il fumo della sigaretta all'interno della beuta, accendiamo la macchina elettrostatica. Si puo' notare che... Spiegazione L'elettrodo a punta negativo è in grado di ionizzare le molecole che costituiscono l'aria. Si producono così coppie di... positivi e... I primi sono attratti dall'... a..., mentre i secondi interagiscono con le molecole di fumo caricandole negativamente; le particelle precipitano così verso il piatto metallico. Prova ora a vedere cosa accade se si invertono i poli. 11

12 La bottiglia di Leida Comprendere il funzionamento di un condensatore Bottiglia di Leyda, generatore di Van de Graaf., pinza per scarica Montiamo la bottiglia di leida. Il pistone va inserito all'interno del..., mentre il bicchiere di plastica va inserito all'interno del recipiente metallico. Il recipiente metallico va collegato..., il pomello del pistone metallico va collegato a... Supponiamo che il pistone si carichi positivamente. Come si caricherà il recipiente metallico esterno? Per il fenomeno dell' esso si caricherà Quali cariche si disperderanno a terra attraverso il filo di rame?... Che carica assumerà il recipiente metallico dopo che le cariche... si disperdono a terra? Che effetto avranno le cariche... del recipiente? Esse tenderanno ad attirare le cariche...dal generatore di van de Graaf e quindi permetteranno al pistone di diventare un serbatoio di cariche elettriche. Dove sono impiegati i condensatori? 12