Le macchine elettrostatiche
Introduzione all’elettrostatica
Per elettrostatica si intende quella branca della fisica che ha per
oggetto i fenomeni elettrici generati da cariche in equilibrio.
Alla base dell’elettrostatica stanno i concetti di carica elettrica e di
campo elettrico: la presenza di un eccesso di cariche su un corpo
genera un campo elettrostatico intorno ad esso che altera le proprietà
dello spazio e agisce su altre cariche libere per mezzo della forza di
Coulomb.
Tipici fenomeni elettrostatici sono l’induzione dei materiali
conduttori e la polarizzazione dei dielettrici.
L’induzione elettrostatica
Il meccanismo che spiega il fenomeno dell’induzione elettrostatica è semplice: all’interno di
un materiale conduttore esistono elettroni liberi di muoversi (elettroni di conduzione),
normalmente responsabili della conduzione della corrente elettrica ; questi, sottoposti alla
forza di Coulomb esercitata dalla carica elettrica del corpo inducente, vengono attirati o
respinti, a seconda che tale carica sia positiva o negativa.
Supponendo che sia positiva, gli elettroni della sferetta metallica tendono a portarsi sul lato
rivolto verso la bacchetta, lasciando scoperta una parte delle cariche positive fisse del lato
opposto della sferetta.
Il risultato è che all’interno del corpo metallico che subisce l’induzione, le cariche elettriche,
prima distribuite omogeneamente in modo da dare l’effetto complessivo di neutralità elettrica,
si ridistribuiscono disomogeneamente, generando uno squilibrio.
Il fenomeno dell’induzione elettrostatica, quindi, non viola il principio di conservazione della
carica: non consiste infatti in una comparsa dal nulla di una carica elettrica prima inesistente,
ma in una semplice ridistribuzione della carica esistente all’interno del corpo indotto. Una
volta allontanati i due corpi, ammesso che non vi sia stato contatto tra i due, nel corpo indotto
la carica si ridistribuisce equamente, e si ristabilisce la condizione di neutralità elettrica
iniziale.
Spiegazione del fenomeno dell’induzione
elettrostatica
L’elettrizzazione di un corpo
Esistono tre metodi per elettrizzare un corpo:
mediante strofinio, per contatto con un corpo
carico e per induzione.
L’induzione è un fenomeno elettrostatico che
consiste nell’elettrizzazione temporanea di un
corpo inizialmente neutro, posto in vicinanza
di un corpo carico. Nell’esempio, una barra
dotata di carica elettrica negativa, avvicinata a
una sferetta di materiale conduttore neutro,
tende ad allontanare da sé le cariche negative
della sferetta (perché cariche elettriche dello
stesso segno si respingono). Se si collega a
terra la sferetta, l’elettrizzazione può diventare
permanente: le cariche negative ne
defluiscono, mentre quelle positive rimangono
su di essa, attratte dalla barra. La carica
positiva della sferetta, quindi, non più
bilanciata da un’uguale quantità di carica
negativa, rimane scoperta e permane anche
dopo l’allontanamento della barra.
Elettrizzazione per induzione
L’elettroscopio
Per chiarire ancora meglio il fenomeno dell’induzione elettrostatica
utilizziamo un apparecchio che ci permette di misurare la carica
elettrica di un corpo elettrizzato: l’elettroscopio
In forma semplificata, l'elettroscopio è costituito da due leggerissimi
conduttori metallici sospesi per mezzo di un sostegno in un
involucro di vetro o di altro materiale isolante. I conduttori, che
molto spesso sono due sottilissime lamine d'oro, sono collegati
elettricamente a un terzo conduttore posto all'esterno dell'involucro;
quando il conduttore esterno viene posto a contatto con un corpo
carico, sulle due lamine interne si distribuisce una carica elettrica
dello stesso segno e quindi queste si allontanano. Misurando la
distanza indotta fra i due conduttori è possibile risalire alla quantità
di carica portata dal corpo elettrizzato.
Come funziona l’elettroscopio
Come funziona l’elettroscopio
Per determinare lo stato elettrico di un
corpo lo si può mettere in contatto con
il pomello (d) di un elettroscopio. Se
nel corpo sono presenti delle cariche
in eccesso, fluiscono automaticamente
attraverso il supporto metallico (b)
fino a distribuirsi tra le foglioline (a) e
(a_), pure metalliche. Queste,
essendosi caricate entrambe dello
stesso segno, si allontanano l'una
dall'altra in misura proporzionale
all'intensità della carica. Il tutto è
protetto da un contenitore di vetro (c).
Schemi di un elettroscopio
L’elettroforo di Volta
Un’altra macchina ad induzione molto
famosa è l’elettroforo di Volta
Esso è costituito da due dischi, l’uno di
materiale isolante (schiacciata), l’altro
metallico (scudo), munito di manico
isolante (fig.a).
Dopo aver elettrizzato la schiacciata per
strofinio (negativamente), si può elettrizzare
ripetutamente lo scudo collegandolo
momentaneamente alla terra mentre
funziona da indotto (fig.b): su di esso resta
solo elettricità di segno opposto a quello
della schiacciata. Sollevato lo scudo
elettrizzato (fig.c), lo si può usare per
caricare altri conduttori. Dopo averlo
scaricato, si può ripetere l’operazione
riappoggiandolo sulla schiacciata rimasta
elettrizzata.
Le varie fasi del funzionamento dell’elettroforo di
Volta
Il pendolino elettrico
Al posto dell’elettroforo di Volta si può usare un
rivelatore meno sensibile dello stato elettrico: il
pendolino elettrico.
Una pallina di carta stagnola sospesa a un filo
costituisce un pendolino elettrico. Avvicinando
una bacchetta di vetro elettrizzata per strofinio
(vedi fig.a), la pallina viene dapprima attratta,
poi decisamente respinta appena ha toccato il
vetro: col contatto, essa ha ricevuto una parte
della carica elettrica del vetro.
Un secondo pendolino (vedi fig.b) si comporta
allo stesso modo, ma con una bacchetta di
ebanite elettrizzata: dopo il contatto ancora
repulsione.
Avvicinati tra loro i due pendolini
precedentemente elettrizzati manifestano
reciproca attrazione (fig.c).
Come si comporta il pendolino elettrico
quando si avvicinano bacchette di vetro e
di ebanite
Cosa dimostra l’esperienza ?
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L’esperienza, ripetuta usando bacchette di altri tipi di materiale strofinate
dimostra che:
Esistono due tipi di elettricità: quella che si desta nel vetro, o nei
corpi come il vetro che viene chiamata “vitrea” o elettricità positiva, e
quella che si desta nell’ebanite, o nei corpi che si comportano come
l’ebanite che viene chiamata “resinosa” o elettricità negativa.
Cariche dello stesso segno si respingono e cariche dello stesso tipo si
attraggono.
La forza di attrazione o repulsione diminuisce rapidamente con la
distanza che separa i corpi interagenti.
Esistono materiali che hanno cariche elettriche capaci di spostarsi da un
punto all’altro del corpo ( conduttori ) e materiali in cui le cariche
rimangono localizzate nella regione dove è avvenuto lo strofinio
( isolanti o dielettrici ) .
Il generatore di Van Der Graaf
La più moderna tra le macchine
elettrostatiche è il generatore di Van
der Graaf.
Il tipo più semplice è formato da una
grande sfera metallica cava isolata, che
riceve in modo continuo cariche
elettriche introdotte in essa da un
nastro di materiale isolante, teso tra
due pulegge rotanti in senso concorde;
tale nastro viene elettrizzato a
“effluvio”, cioè applicando il potere
delle punte da un generatore ausiliario
esterno e cede alla sfera cava le
cariche trasportate tramite un pettine
metallico, che insieme con la sfera si
comporta da indotto a punta.
Il generatore di Van Der Graaf
Esperienze con la macchina di Van de Graaf
Per l’esperienza utilizziamo un recipiente avente ai lati due elettrodi a
punta, al cui interno è inserito dell’olio e del semolino.
Se colleghiamo i due elettrodi ai due diversi poli della macchina, azionando
quest’ultima vedremo che nel recipiente si verranno a formare delle linee
di forza convergenti tra i due elettrodi
Se invece colleghiamo i due elettrodi ad un solo polo ci accorgiamo che le
linee di forza che si verranno a formare saranno diverse rispetto al primo
caso, perché esse divergono
Se posizioniamo un anellino all’interno del recipiente e azioniamo la
macchina, ci accorgiamo che all’interno di esso il semolino non subisce
alcuna modifica. L’anello quindi costituisce uno schermo elettrostatico.
Se al posto di due elettrodi a punta inseriamo un doppio strato elettrico, il
campo elettrico sarà uniforme in ogni punto. Azionando la macchina le
linee di forza che si verranno a formare andranno da un elettrodo all’altro.
Cosa sono le linee di forza ?
Le linee di forza sono quelle linee la
cui tangente in ogni punto ha la stessa
direzione del campo elettrostatico in
quel punto.
Nel primo caso le linee di forza che si
verranno a formare saranno come
quelle in figura 1. Il sistema costituito
dalle cariche opposte prenderà il nome
di dipolo elettrico. Le linee di forza
che escono dalla carica positiva sono
in uguale numero a quelle che entrano
nella carica negativa.
Nel secondo caso le linee di forza che
si verranno a formare saranno come
quelle in figura 2. Tra due cariche
uguali, infatti, le linee che si verranno
a formare divergono.
Linee di forza
generate da
due cariche
opposte
Linee di forza
generate da
due cariche
uguali
La gabbia di Faraday
Un’altra macchina elettrostatica è la gabbia di
Faraday.
Essa è un esempio di schermo elettrostatico ed è
realizzata mediante una rete metallica a maglie
molto fitte (chiusa a formare una sorta di gabbia).
All'interno di questa non vi sono effetti dovuti a
campi elettrostatici esterni né al caricamento della
gabbia stessa.
La verifica può essere fatta posizionando
all'interno della gabbia un elettroscopio. La
gabbia viene caricata da un generatore
elettrostatico mentre l'elettroscopio all'interno
non rivela alcuna presenza di cariche. E'
possibile, inoltre, utilizzare un secondo
elettroscopio collegato elettricamente all'esterno
della gabbia per rivelarne la carica.
Un esempio di gabbia di Faraday
Fine