attività di laboratorio sull'elettrostatica

L'ELETTROSTATICA

ANALIZZATA IN LABORATORIO

Francesca D'Alò, 4Bs

ESPERIMENTI SUI TRE TIPI DI ELETTRIZZAZIONE:

Nella fase di elettrizazione è fondamentale tenere presente la struttura dell’atomo, che nel suo centro presenta un nucelo di protoni (particelle di carica positiva) e neutroni (particelle neutre) legati da forze intense e che, nella parte esterna presenta elettroni che orbitano attorno al nucleo in livelli energetici definiti. Un atomo può cedere o acquisire elettroni e, quando li acquisice, osservando lo stato dell’atomo, notiamo una predominanza di elettroni in quanto, inizialmente, l’atomo è neutro ma, se guadagna elettroni, diventa carico negativamente e viene chimato "anione" (ione negativo), se li cede, diversamente, si verifica il contrario, l'atomo diventa carico positivamente e viene chiamato "catione" (ione positivo). Nei fenomeni in cui avviene uno scambio di elettroni, un determinato corpo resta elettrizzato e vi sono tre modi per trasferire elettroni, che abbiamo osservato in tre diversi esperimenti, in cui ci siamo serviti di un elettroscopio:

- strofinio - contatto - induzione

Durante l'esperienza di laboratorio, oltre ad osservare il comportamento dell'elettroscopio abbiamo, inoltre, avuto modo di trattare altri importanti strumenti:

L'elettroforo di Volta

La bilancia di torsione di Coulomb

Coulomb, volendo comprendere numericamente cosa determinasse il fenomeno di attrazione o repulsione, ha utlizzato la bilancia di torsione: ha messo su un'asta due palline di un determinato materiale ed ha lavorato con una bacchetta dello stesso materiale e con un'altra di materiale differente, ha osservato, allora, la torsione dell’asta ed ha misurato l’angolo di torsione e il momento della rotazione, giungendo alla conclusione secondo cui tra due cariche uguali si genera repulsione, mentre, tra due cariche differenti si genera un'attrazione proporzionale al prodotto delle cariche.

Ideato da Alessandro Volta attorno al 1775, l'elettroforo è un generatore elettrostastico in grado di accumulare una modesta quantità di carica elettrica in modo discontinuo, generando cariche elettriche per induzione elettrostatica.

Il generatore di Van de Graaff

La macchina di Wimshurst

1) esperimento con i pirottini di alluminio 2) esperimento con un oggetto appuntito 3) esperimento di repulsione elettrostatica nei capelli

La macchina di Wimshurst è stata ideata nel 1882 dall’ingegnere inglese James Wimshurst ed è in grado di produrre un'elevata differenza di potenziale che può raggiungere alcune centinaia di migliaia di Volt. Questo dispositivo è composto da dischi rotanti e, mediante l'azione di sfregamento, genera cariche elettrostatiche che vengono poi raccolte e accumulate. La tensione così prodotta può essere utilizzata per vari scopi, quali dimostrazioni scientifiche, esperimenti elettrostatici o l'alimentazione di dispositivi che richiedono alte tensioni.

Il generatore di Van de Graaff, inventato dal fisico statunitense Robert Jemison Van de Graaff nel 1929, che intendeva usarlo come un acceleratore di particelle che sfruttasse le altissime d.d.p in grado di generare, è un generatore elettrostatico capace di accumulare una notevole quantità di carica elettrica in un conduttore, creando, tra questo ed un elettrodo di riferimento, un'altissima tensione che può raggiungere milioni di Volt.

Grazie dell'attenzione!

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Cos'è l'elettrostatica?

L'elettrostatica costituisce una parte essenziale della fisica, precisamente della branca dell' elettromagnetismo, che si concentra sullo studio dei fenomeni legati alle cariche elettriche stazionarie nel tempo, le quali possono essere positive o negative, e la forza elettrostatica, governata dalle leggi di Coulomb (che descrivono come la forza varia in base alla distanza e all'intensità delle cariche coinvolte), agisce tra di esse. Un aspetto fondamentale dell'elettrostatica è la creazione di campi elettrici, campi di forze generati nello spazio da una o più cariche elettriche o da un campo magnetico variabile, che rappresentano la distribuzione spaziale delle forze elettrostatiche. I fenomeni elettrostatici sono ubiqui nella vita quotidiana, spaziando dall'attrito statico tra materiali all'effetto delle scariche elettriche atmosferiche. Inoltre, l'elettrostatica fornisce le basi concettuali per la comprensione di fenomeni più complessi, come il comportamento di conduttori e isolanti. Questa branca della fisica ha ampie applicazioni, dall'ingegneria elettrica alla medicina, contribuendo a definire il nostro mondo tecnologico e naturale.

Per analizzare il modo in cui viene impiegato l'elettroforo di Volta abbiamo, innanzitutto, distinto i materiali isolanti, che hanno da 1 a 4 elettroni sull'ultima orbita e non consentono il libero movimento degli elettroni (es. rame, alluminio) dai materiali conduttori, che hanno da 5 a 9 elettroni sull'ultima orbita e consentono il libero movimento degli elettroni (es. plastica, gomma, legno), in seguito, abbiamo esaminato l'effetto provocato dal contatto di un materiale plastico con l'elettroforo.

L'elettroforo di Volta è costituito da tre parti principali:- un disco conduttore (generalmente di metallo) - una piastra isolante sottostante (generalmente in resina) - una maniglia isolante, utlizzata per l'impugnatura Per prima cosa abbiamo caricato il disco metallico per strofinio con un panno di lana, su di esso si sono separate le cariche, nel mentre, la piastra isolante si è caricata negativamente in quanto la lana ha ceduto gli elettroni perciò, nel disco metallico posto al di sopra gli elettroni si sono allontanati e sono saliti in superificie. In seguito, abbiamo constatato che, poggiando la bacchetta di vetro sul disco, essa si carica per trasferimento di cariche, mentre, poggiando un dito sul disco, gli elettroni migrano nel nostro corpo e il disco resta carico positivamente, avendogli portato via una certa quantità di essi; non appena il disco si scarica, infatti, basta riappoggiarlo sulla piastra isolante, ripetendo l'operazione per ricaricarlo.

Un terzo esperimento realizzato per mezzo del generatore di Van de Graaff, che ho avuto modo di sperimentare personalmente, ha evidenziato come la carica presente su un’asta di legno abbia influenzato la distribuzione di carica sui miei capelli, provocando una repulsione elettrostatica. Seduta su uno sgabello e mantenendo i piedi su di esso, non poggiandoli sul pavimento, ho fatto toccare un’asta di legno con il guscio sferico del generatore, osservando il comportamento anomalo dei miei capelli. Posizionando l'asta di legno sulla macchina di Van de Graaff, essa ha acquistato una carica elettrica a causa del generatore elettrostatico. Anche se il legno è un materiale isolante, può comunque caricarsi leggermente in presenza di un campo elettrico intenso, perciò l’esperienza con i capelli che cominciano a sollevarsi, scuotendoli leggermente, è probabilmente dovuta all'interazione tra la carica della persona e quella sull'asta di legno. Poiché la carica elettrica può indurre una distribuzione di carica simile su oggetti vicini, i capelli, che sono leggermente caricati, possono, infatti, essere repellenti l'uno dall'altro a causa delle forze elettrostatiche. Questo fenomeno è noto come repulsione elettrostatica: i capelli, caricati con una carica simile, cercano di allontanarsi l'uno dall'altro creando l'effetto visivo dei "capelli che volano". Allo stesso modo, per concludere l’esperienza, ho prima fatto toccare la punta dell’asta sul pavimento e ho poi posizionato i piedi per terra, cosa che ho evitato di fare in precedenza perché, connessa a terra, sarei potuta diventare un conduttore per la carica elettrostatica accumulata, causando il passaggio di corrente attraverso il mio corpo e provocando una spiacevole scossa elettrica. Mantenendo i piedi sollevati da terra, infatti, si riduce la possibilità di un passaggio diretto della carica.

L'elettrizzazione per contatto avviene quando due oggetti conduttori vengono messi in contatto tra loro, consentendo il trasferimento di carica elettrica da un oggetto all'altro. Quando un oggetto carico tocca un oggetto scarico, gli elettroni in eccesso possono fluire tra di essi fino a quando entrambi raggiungono una condizione di equilibrio elettrico, mentre, se un oggetto ha un eccesso di elettroni (carica negativa) e tocca un oggetto scarico o carente di elettroni, gli elettroni in eccesso si distribuiscono sull'oggetto scarico; allo stesso modo, se un oggetto carico positivamente (carente di elettroni) tocca un oggetto scarico, trasferisce parte della sua carica agli elettroni dell'oggetto scarico. In entrambi i casi, l'elettrizzazione per contatto comporta un equilibrio delle cariche tra gli oggetti in contatto: questo processo si basa sulla capacità dei conduttori di consentire il libero movimento degli elettroni all'interno del materiale. Dunque, quando si avvicina un conduttore carico elettricamente ad uno neutro, una parte della carica presente sul primo viene trasferita sul secondo, in modo che entrambi risultano carichi; in particolare, la carica si distribuisce equamente tra i due conduttori, che presentano lo stesso numero di particelle negative. Per dimostrarlo, durante la nostra attività laboratoriale, abbiamo nuovamente preso in esame la bacchetta di vetro e l'abbiamo messa in contatto con il panno di lana, senza strofinarli, semplicemente facendoli toccare a vicenda; abbiamo, poi, avvicinato la bacchetta all'elettroscopio e verificato che essa si fosse caricata tramite la separazione delle due lamine.

L’apparecchio, considerabile come un insieme di elettrofori di Volta, è costituito da due dischi uguali di plexiglas, posti in verticale ad una distanza relativamente piccola, essi ruotano (tramite una manovella) intorno ad uno stesso asse orizzontale, ma in senso opposto, grazie ad un sistema di cinghie e pulegge azionate da una manovella posta di lato alla base della macchina. Radialmente, lungo il bordo esterno dei due dischi, sono disposti dei piccoli settori metallici che, durante la rotazione, per ogni disco, scorrono sotto una coppia di spazzole di rame, sostenuta da un supporto conduttore inclinato e di lunghezza pari al diametro dei dischi (i supporti delle spazzole, posti sui due lati, sono inclinati uno rispetto all’altro). Due punte metalliche si affacciano su un disco agli estremi opposti di un diametro orizzontale, ed esse sono collegate all’armatura interna di due condensatori cilindrici, fissati alla base, e ciascuna di queste armature è connessa con una delle sferette di uno spinterometro, la cui distanza è regolabile. Per quanto riguarda il suo funzionamento, in laboratorio è stato possibile osservare che, durante la rotazione contrapposta dei dischi, una carica, inizialmente presente su un settore, passando in corrispondenza del settore che sull'altro disco è in contatto con la spazzola, induce su questo una carica di segno opposto e una carica di segno uguale sul settore in contatto con l'altra spazzola sostenuta dal medesimo supporto. I due settori così caricati lasciano le spazzole e portano le rispettive cariche in prossimità delle punte, dove vengono trasferite alle armature interne dei due condensatori che quindi si caricano di segno opposto; con esse si caricano le sferette dello spinterometro e, quando la d.d.p. è sufficientemente elevata, scocca una scintilla in aria. Abbiamo infatti notato il generarsi di numerose scintille, via via più intense, nel corso della rotazione dei due dischi.

L'elettrizzazione per strofinio è un processo attraverso il quale un oggetto acquisisce una carica elettrica a causa dello strofinio con un altro materiale, infatti, quando due materiali diversi vengono strofinati l'uno contro l'altro, alcuni elettroni possono essere trasferiti da uno all'altro. Questo trasferimento di elettroni porta a una differenza di carica tra i due materiali: se un materiale guadagna elettroni durante lo strofinio, diventa carico negativamente, poiché ha un eccesso di elettroni, diversamente, se perde elettroni, diventa carico positivamente. Questo processo si basa sul principio per cui gli elettroni sono liberi di muoversi nei materiali e possono essere trasferiti da uno all'altro durante il contatto. Un esempio comune di elettrizzazione per strofinio è quello del pettine che viene strofinato su un capo di lana, che acquisendo una carica elettrica durante lo strofinio, può essere utilizzato per attrarre piccoli oggetti, come frammenti di carta, a causa della forza elettrostatica generata dalla differenza di carica.Nel nostro esperimento abbiamo strofinato una bacchetta di vetro su un panno di lana e l'abbiamo poggiata sul pomello dell'elettroscopio, osservando, con la separazione delle due lamine, che i corpi in esame non fossero più neutri: con il trasferimento di elettroni tra i due corpi, uno è diventato positivo per eccesso di carica positiva, l'altro ha acquistato elettroni e si è caricato negativamente.

Ponendo i pirottini di alluminio al di sopra del guscio sferico del generatore e azionando il motore che mette in rotazione la cinghia, abbiamo notato come i pirottini cominciassero a sollevarsi, a “volare” verso l’alto, battendo la forza di gravità. Ciò accade perché l'aria circostante a un oggetto caricato elettricamente diventa ionizzata, quindi, quando il generatore di Van de Graaff carica la superficie dei pirottini di alluminio, si crea un campo elettrico intorno ad essi e tale campo può ionizzare l'aria vicina, creando ioni positivi e negativi. Gli ioni carichi nell'aria interagiscono con la superficie caricata dei pirottini, dando luogo a una serie di processi, tra cui la generazione di forze elettrostatiche. Queste forze possono essere abbastanza intense da superare la forza di gravità sui pirottini leggeri di alluminio, facendoli sollevare nell'aria. In sostanza, la combinazione di carica elettrica sulla superficie dei pirottini e l'interazione con gli ioni nell'aria crea una forza elettrostatica sufficiente per farli separare e innalzare rispetto alla superficie del generatore di Van de Graaff.

La bilancia di torsione, ideata nel 1806, è uno strumento sviluppato dal fisico francese Charles-Augustin de Coulomb per misurare la forza tra cariche elettriche. Precisamente, la bilancia è costituita da un braccio di materiale isolante sospeso con un filo elastico anch'esso isolante, alle due estremità del braccio vi sono una sfera conduttrice ed una neutra che bilanciano il braccio, contrastando la forza di gravità, vi è poi una terza sfera conduttrice appesa ad un ulteriore appoggio isolante. Interagendo tra loro, le sfere cariche e poste ad una certa vicinanza tendono a respingersi e la forza applicata all'estremità del braccio isolante fa in modo che esso ruoti per via del momento della stessa forza; tramite i vari studi, essa è stata ricavata come il prodotto tra l'angolo di rotazione del manubrio e un coefficiente k, tutto diviso per il braccio e, una volta misurata la forza di interazione elettrica tra le cariche, è stato possibile indagare sulla sua dipendenza dall'intensità e dalla distanza di esse.Alcune osservazioni chiave ricavate per mezzo della bilancia di torsione di Coulomb includono: 1) Legge di Coulomb: La bilancia di torsione è stata utilizzata da Coulomb per formulare la sua legge che descrive la forza elettrostatica tra due cariche puntiformi. La legge afferma che la forza è direttamente proporzionale al prodotto delle cariche e inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra le cariche. 2) Segno delle cariche: La bilancia di torsione consente di determinare il segno delle cariche, poiché una forza di attrazione o repulsione è indicativa della differenza di segno tra le cariche. 3) Dipendenza dalla distanza: Coulomb osservò che la forza elettrostatica diminuisce rapidamente con l'aumentare della distanza tra le cariche (relazione inclusa nella sua legge). 4) Misurazione della costante dielettrica: Utilizzando la bilancia, Coulomb fu in grado di misurare la costante dielettrica del vuoto, una quantità che compare nella sua legge elettrostatica e che mette in relazione diverse grandezze fisiche, meccaniche ed elettromagnetiche.

Ripetendo l’esperimento con un oggetto circolare, bucherellato e caratterizzato da un centro appuntito, abbiamo notato come questo, azionato lo strumento in esame, cominciasse a girare su se stesso. Questo è dovuto all'interazione tra il campo elettrico creato dal generatore elettrostatico e la forma specifica dell'oggetto. Quando un oggetto appuntito è caricato elettricamente in un campo elettrico, può sperimentare forze elettrostatiche che lo fanno muovere. La sua forma appuntita influenza la distribuzione delle cariche elettrostatiche sulla sua superficie, creando una coppia di forze che induce il movimento rotatorio. Ciò è legato al fatto che le cariche dello stesso segno si respingono e si accumulano sulle punte. Infatti, nel momento in cui si esamina un conduttore di forma non omogenea, ma simmetrica e a tratti assottigliata, nella zona appuntita vi è un accumulo di cariche. Questo poiché la superficie di una punta è ridotta e un piccolo numero di cariche è sufficiente a generare un’elevata densità superficiale di carica e il campo elettrico è proporzionale a tale densità e più intenso in prossimità delle punte. Dal punto di vista matematico, il fenomeno è dovuto alle cariche che si dispongono in modo da portare tutti i punti della superficie del conduttore allo stesso potenziale elettrico.

L'elettrizzazione per induzione è un processo mediante il quale un oggetto neutro può acquisire una carica elettrica senza che vi sia contatto fisico diretto con un corpo carico. Il processo di induzione coinvolge l'interazione di cariche elettriche senza il trasferimento fisico di elettroni tra i corpi. Dunque, un corpo carico viene avvicinato a un oggetto neutro, senza toccarlo direttamente, e le cariche del corpo carico inducono una separazione temporanea delle cariche nell'oggetto neutro, in seguito, il corpo carico viene allontanato, lasciando l'oggetto neutro con una distribuzione di carica alterata. L'oggetto neutro diventa carico pur senza aver subito un trasferimento fisico di elettroni. L'elettrizzazione per induzione è spesso utilizzata in situazioni in cui non è possibile o desiderabile un contatto fisico diretto e per dimostrarlo abbiamo appeso due bacchette di cariche differenti su un filo ed abbiamo avvicinato ad esse un'ulteriore bacchetta che aveva carica uguale rispetto ad una e diversa rispetto all'altra. Le bacchette hanno cominciato a roteare e a muoversi in quanto quelle con carica dello stesso segno si respingevano, quelle con segno opposto si attraevano. Tramite questo esperimento siamo giunti alla conclusione per cui due corpi che hanno la stessa carica si allontanano, due corpi con carica opposta si avvicinano.

Il dispositivo è composto da un guscio sferico conduttore sorretto da un isolante. Al suo interno vi è una cinghia isolante tesa tra due pulegge, che viene messa in rotazione da un motore. La cinghia è posta in contatto con delle punte metalliche collegate ad un generatore di tensione continua. Esse trasferiscono per induzione le cariche elettriche positive alla cinghia, che ruotando le trascina. La cinghia, che nella parte superiore dello strumento è messa in contatto con altre punte metalliche collegate al conduttore sferico, tramite esse cede le cariche acquisite al guscio e si scarica. Quest'ultimo acquista man mano sempre più carica, finché non si raggiunge una d.d.p. V (max) rispetto a terra, tale che il campo elettrico superficiale eguagli la rigidità dielettrica del gas circostante. Solitamente vi è un secondo conduttore collegato allo strumento o a terra, che, caricandosi di segno opposto per induzione, quando viene avvicinato al conduttore principale, comporta la formazione di scariche. Il trasferimento di cariche alla cinghia può ancora più semplicemente avvenire per triboelettricità, nello strofinio con le punte metalliche, tuttavia con un generatore elettrico si ottengono risultati migliori.

L'elettroscopio a foglie d'oro fu inventato da Abraham Bennet nel 1786, mentre, quello condensatore di Alessandro Volta fu messo a punto circa nel 1780. L'elettroscopio è uno strumento utilizzato per rilevare la presenza di carica elettrica su un corpo. Esso è costituito da due sottili lamine o "foglioline" metalliche appese ad un supporto e racchiuse in un recipiente di vetro per isolarle e, quando un corpo carico viene avvicinato al pomello o alla punta metallica dell'elettroscopio, si verifica un effetto noto come "induzione elettrostatica". Se il corpo vicino all'elettroscopio è carico, le cariche dello stesso segno del corpo vengono respinte dalla lamina metallica, causando la separazione delle cariche: le cariche dello stesso segno del corpo carico vengono respinte verso la parte opposta della lamina, mentre, le cariche di segno opposto vengono attratte verso la parte vicina del corpo carico. Questo crea una separazione di cariche (polarizzazione) nelle lamine metalliche dell'elettroscopio che, in presenza di carica elettrica, si carica elettricamente. Questa carica può essere rilevata visivamente perché la lamina può muoversi o divergere, a seconda del tipo di elettroscopio e il movimento della lamina è un segno della presenza di carica elettrica. Perciò quando un corpo si elettrizza vicino a un elettroscopio, si verifica una separazione di cariche che induce una risposta visibile nell'elettroscopio, il quale, tuttavia, non è in grado di fornire l'esatta quantità di carica trasferita.

Questo concetto mi ha particolarmente colpita e ci ha fatto riflettere su quanto sia cruciale evitare, nel corso di un temporale, di trovarsi vicino agli alberi, alle antenne o a qualsiasi oggetto appuntito. Durante una tempesta, la differenza di potenziale tra la terra e la nuvola carica di elettricità può creare un campo elettrico intenso e le punte degli oggetti appuntiti favoriscono la concentrazione del campo elettrico e la ionizzazione dell'aria circostante. Ciò provoca la liberazione di cariche elettriche che si accumulano sulla punta dell'oggetto appuntito e quando queste raggiungono una certa intensità, possono generare scariche elettriche, come i fulmini. Allo stesso modo, anche stare in acqua durante un temporale è pericoloso, principalmente a causa della sua conducibilità. L'acqua di mare è un buon conduttore elettrico, e se si verificano fulmini, l'acqua può trasmettere l'elettricità, aumentando il rischio di essere colpiti da una scarica elettrica, la nostra stessa testa può essere considerata una punta su cui si accumula la carica; ancora più grave è la presenza di imbarcazioni in mare, che possono agire da conduttori. Al contrario, il luogo più sicuro in cui è consigliabile sostare durante un temporale è l'auto, ciò è dovuto principalmente al fatto che essa funge da gabbia di Faraday naturale (una struttura conduttiva che protegge da campi elettrici esterni, dissipando la carica elettrica lungo la superficie esterna). Poiché le auto sono dotate di carrozzerie metalliche, durante un temporale, l'elettricità generata dai fulmini segue il percorso della carrozzeria dell'auto e viene scaricata al suolo attraverso le ruote. All'interno dell'auto, i passeggeri sono protetti dal guscio metallico, riducendo il rischio di essere colpiti direttamente dalla scarica elettrica. Tuttavia, è importante notare che stare in auto non garantisce la totale sicurezza. Si dovrebbe evitare di toccare parti metalliche interne dell'auto, come il volante, durante un temporale, poiché potrebbero verificarsi piccole differenze di potenziale.