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La Triboelettricità

Che cosa accade quando due materiali diversi vengono messi a contatto e poi separati: un modello semplificato, la scala triboelettrica e i suoi limiti.

Al termine di questo approfondimento saprai

1. Contatto e separazione

Il termine triboelettricità deriva dal greco tribein, «strofinare». Indica l'elettrizzazione che può prodursi quando due materiali diversi vengono messi a stretto contatto e poi separati. In un modello semplificato, utile per interpretare molti fenomeni, alcuni elettroni passano da una superficie all'altra e, dopo la separazione, i due corpi risultano carichi con segni opposti.

Lo strofinio, in realtà, non è indispensabile. Anche un semplice contatto seguito dalla separazione può produrre un trasferimento di carica: è ciò che accade, per esempio, staccando un pezzo di nastro adesivo dal rotolo. Perché allora si strofina? Due superfici solide, anche se sembrano lisce, si toccano davvero solo in piccolissime zone, dove le loro asperità si incontrano. Strofinando, le zone di contatto si moltiplicano e si rinnovano continuamente, rendendo in genere l'elettrizzazione più evidente.

1. Neutri +− +− +− +− materiale A sopra, B sotto 2. Contatto modello: elettroni da A a B 3. Separazione ++ +− +− −− A positivo, B negativo

Figura 1 — Schema semplificato dell'effetto triboelettrico. Durante il contatto alcuni elettroni vengono rappresentati mentre passano dal materiale A al materiale B. Dopo la separazione A ha un difetto di elettroni e B un eccesso; i protoni restano dove erano e la carica totale non cambia. Lo schema è qualitativo e non rappresenta la struttura microscopica reale dei materiali.

2. Il modello del trasferimento di elettroni

Nel modello semplificato basato sul trasferimento di elettroni, gli elettroni più esterni degli atomi e delle molecole non sono trattenuti con la stessa intensità in tutti i materiali. Quando due superfici diverse si toccano, alcuni elettroni possono passare dal materiale che tende a trattenerli meno a quello che tende a trattenerli di più:

Il trasferimento non continua indefinitamente: la separazione delle cariche modifica le condizioni all'interfaccia, rendendo progressivamente meno favorevole un ulteriore passaggio di carica.

Non si creano nuove cariche

Anche qui vale la conservazione della carica: la carica positiva comparsa su un materiale è uguale, in valore assoluto, alla carica negativa comparsa sull'altro. I due corpi, considerati insieme, restano neutri.

Una questione ancora aperta

Il modello del trasferimento di elettroni descrive bene i comuni fenomeni e funziona molto bene tra due metalli. Negli isolanti, però, il meccanismo è più complesso ed è ancora oggetto di ricerca: oltre agli elettroni possono trasferirsi ioni presenti sulle superfici o minuscoli frammenti di materiale. Nonostante la sua antichità, l'effetto triboelettrico non è del tutto compreso.

3. La scala triboelettrica

Confrontando sperimentalmente molte coppie di materiali, si può costruire un elenco ordinato: la scala (o serie) triboelettrica. È una scala qualitativa e indicativa: in alto si trovano i materiali che, nel modello semplificato, tendono a cedere elettroni e quindi a caricarsi positivamente; in basso quelli che tendono ad acquistarli e a caricarsi negativamente.

Tendenza a caricarsi positivamente (cede elettroni)

    Tendenza a caricarsi negativamente (acquista elettroni)

    La scala non possiede uno “zero” o un centro fisicamente privilegiato: ciò che conta è soprattutto la posizione relativa dei due materiali confrontati.

    Come si usa la scala

    Quando due materiali della scala vengono messi a contatto e separati:

    Conta la posizione relativa, non quella assoluta: la seta, per esempio, si carica negativamente con il vetro, che sta più in alto, ma positivamente con la plastica, che sta più in basso. La scala permette quindi soprattutto di prevedere il segno più probabile della carica; non consente di ricavare direttamente quanta carica verrà trasferita.

    Esempi

    Vetro e seta. Il vetro sta più in alto: si carica positivamente, la seta negativamente.

    Bacchetta di plastica e lana. La lana sta più in alto del polietilene e del PVC: la plastica si carica negativamente, la lana positivamente.

    Pettine di plastica e capelli. I capelli stanno molto in alto: si caricano positivamente, il pettine negativamente.

    Ebanite e pelliccia. È l'esperimento classico dei libri di testo: l'ebanite si carica negativamente, la pelliccia positivamente.

    Prova tu: confronta due materiali

    La scala qui sopra resta fissa: il confronto viene spiegato solo nel riquadro sottostante.

    4. I limiti della scala

    La scala triboelettrica è uno strumento qualitativo: indica il segno più probabile della carica, non la sua quantità. Va usata con alcune cautele.

    Il ruolo dell'umidità

    Nelle giornate umide gli esperimenti di elettrizzazione riescono spesso male. Sulle superfici può formarsi un sottilissimo strato d'acqua che, insieme alle impurità e ai sali presenti, favorisce la dispersione della carica. In inverno, invece, negli ambienti riscaldati l'aria è spesso molto secca: sulle superfici è presente meno umidità e le cariche elettriche riescono a conservarsi più a lungo. Possono quindi accumularsi sul nostro corpo fino a scaricarsi improvvisamente quando tocchiamo un oggetto conduttore, producendo la caratteristica piccola scintilla. Per questo le «scosse» da elettricità statica sono molto più frequenti d'inverno.

    E i metalli?

    Anche i metalli compaiono nella scala, ma per conservare la carica devono essere isolati. Un oggetto metallico tenuto in mano si elettrizza come gli altri, ma la carica si disperde subito attraverso il corpo verso terra. Tra due metalli il trasferimento di elettroni è ben descritto: gli elettroni passano verso il metallo che li trattiene più fortemente.

    5. La triboelettricità intorno a noi

    Nella vita quotidiana

    Rischi da controllare

    Applicazioni tecnologiche

    In sintesi

    Verifica se hai capito

    1. Per elettrizzare due materiali è necessario strofinarli?

    No. Basta metterli a stretto contatto e poi separarli, come quando si stacca un nastro adesivo. Lo strofinio moltiplica le zone di contatto reale tra le superfici e quindi aumenta la carica trasferita.

    2. La seta si carica sempre negativamente?

    No. Nella scala la seta si trova in una posizione intermedia: con il vetro, che sta più in alto, si carica negativamente; con una plastica come il polietilene, che sta più in basso, si carica positivamente. Conta sempre la posizione relativa dei due materiali.

    3. Con la scala si può prevedere quanta carica acquista un corpo?

    No. La scala indica soltanto il segno più probabile. La quantità di carica dipende da molti fattori: area e durata del contatto, pressione, stato delle superfici, umidità e composizione dei materiali. La distanza grafica tra due posizioni della scala non costituisce una misura quantitativa della carica trasferita.

    4. Due fonti diverse riportano due scale con un ordine un po' diverso. Una delle due è sbagliata?

    Non necessariamente. Lo stesso nome indica spesso materiali con composizione e trattamenti diversi, e il risultato dipende dalle condizioni dell'esperimento. Le differenze riguardano soprattutto materiali vicini nella scala, per i quali la previsione è comunque incerta.

    5. Perché d'estate, in una giornata afosa, gli esperimenti di elettrizzazione riescono male?

    Con l'aria umida si forma sulle superfici un sottile strato d'acqua che conduce un poco: la carica si disperde rapidamente invece di restare sui corpi.

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