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
spiegare che cos'è l'effetto triboelettrico e perché lo strofinio lo rende più evidente;
usare la scala triboelettrica per prevedere il segno della carica di due materiali messi a contatto;
riconoscere i limiti della scala e i fattori che influenzano il risultato, come l'umidità;
riconoscere l'effetto triboelettrico in situazioni della vita quotidiana e in alcune applicazioni tecnologiche.
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.
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 materiale che cede elettroni si carica positivamente;
il materiale che acquista elettroni si carica negativamente.
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:
quello che si trova più in alto tende a cedere elettroni e a caricarsi positivamente;
quello che si trova più in basso tende ad acquistare elettroni e a caricarsi negativamente.
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.
L'ordine cambia da una fonte all'altra. Scale pubblicate da autori diversi non coincidono sempre, soprattutto per materiali vicini tra loro: il comportamento dipende dalla composizione esatta, dai trattamenti, dalla pulizia delle superfici.
Materiali vicini possono dare previsioni meno stabili. Per materiali che occupano posizioni vicine, scale ottenute in condizioni diverse possono riportare un ordine differente; di conseguenza anche il segno previsto può cambiare.
Contano le condizioni. Il risultato dipende da pressione, velocità e durata dello strofinio, temperatura e soprattutto umidità.
Anche materiali uguali possono caricarsi. Strofinando tra loro due pezzi dello stesso materiale, in modo non simmetrico, si osserva a volte un'elettrizzazione: la scala, in questo caso, non dà alcuna previsione.
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
La scossa dalla maniglia. Camminando sulla moquette, la suola delle scarpe entra continuamente in contatto con le fibre del tappeto e poi se ne separa. A ogni passo può avvenire un piccolo trasferimento di carica tra i due materiali. Se la suola è isolante, la carica acquistata dal corpo non riesce a disperdersi facilmente verso il pavimento e può quindi accumularsi. Avvicinando la mano a una maniglia metallica, che è un buon conduttore, la carica può scaricarsi rapidamente attraverso l'aria producendo una piccola scintilla.
Il maglione che crepita. Sfilando un maglione sintetico al buio si possono vedere minuscole scintille e sentire un crepitio.
Capelli e palloncino. Strofinando un palloncino sui capelli avviene un trasferimento di carica tra i due materiali. Il palloncino e i capelli si caricano con segni opposti e quindi si attraggono. Il palloncino può essere attratto anche da una parete inizialmente neutra: la sua carica provoca una piccola ridistribuzione delle cariche presenti nelle molecole della parete. Le cariche di segno opposto risultano leggermente più vicine al palloncino di quelle dello stesso segno e l'attrazione può prevalere, permettendo al palloncino di restare attaccato alla parete.
Polvere su schermi e plastiche. Le superfici di plastica possono caricarsi facilmente per contatto o strofinio e, essendo isolanti, trattengono la carica per un certo tempo invece di disperderla rapidamente. Anche un granello di polvere inizialmente neutro può essere attratto: la presenza della superficie carica provoca una piccola separazione delle cariche all'interno del granello, così dalla parte più vicina alla plastica prevalgono cariche di segno opposto. L'attrazione che ne deriva può essere sufficiente a far aderire la polvere alla superficie.
Rischi da controllare
Componenti elettronici. Una scarica di elettricità statica, anche impercettibile, può danneggiare un circuito integrato: per questo chi monta schede elettroniche usa braccialetti e tappetini antistatici collegati a terra.
Polveri e vapori infiammabili. Nelle industrie che lavorano polveri, nei silos e durante il travaso di carburanti, una scintilla elettrostatica può innescare un incendio o un'esplosione. Per ridurre il rischio si adottano collegamenti equipotenziali, messa a terra e altre misure di controllo delle cariche elettrostatiche.
Applicazioni tecnologiche
Stampanti laser e fotocopiatrici. Il funzionamento completo è complesso, ma il principio elettrostatico può essere compreso facilmente. Il toner è formato da minuscole particelle di materiale colorato alle quali viene assegnata una carica elettrica. All'interno della stampante un cilindro, chiamato tamburo, viene preparato in modo che alcune sue zone attirino il toner e altre no. Le particelle si depositano quindi soltanto nelle zone che devono formare lettere e immagini. Successivamente il toner viene trasferito dal tamburo alla carta e fissato mediante calore e pressione. In molti sistemi la carica delle particelle di toner può essere ottenuta anche attraverso ripetuti contatti tra materiali diversi: entra quindi in gioco anche la triboelettricità.
Riciclo delle plastiche. Frammenti di plastiche diverse vengono messi in movimento e fatti entrare ripetutamente in contatto tra loro o con un altro materiale. A causa delle diverse proprietà dei materiali, alcuni frammenti possono caricarsi positivamente e altri negativamente. I frammenti vengono poi fatti cadere tra due elettrodi, uno positivo e uno negativo: quelli positivi vengono attratti verso l'elettrodo negativo, mentre quelli negativi vengono attratti verso l'elettrodo positivo. Le loro traiettorie diventano così diverse e i frammenti possono essere raccolti in contenitori separati.
Nanogeneratori triboelettrici. Utilizzano due materiali diversi che vengono ripetutamente messi a contatto e separati. Durante il contatto si produce una separazione di cariche tra le due superfici. Quando i materiali vengono successivamente allontanati, la diversa distribuzione delle cariche provoca un movimento di elettroni nel circuito esterno collegato al dispositivo; quando si riavvicinano, gli elettroni si muovono nuovamente. Ripetendo il movimento, per esempio grazie ai passi di una persona o alle vibrazioni, si produce una corrente elettrica variabile. Il dispositivo non crea energia dal nulla: trasforma una parte dell'energia meccanica del movimento in energia elettrica.
In sintesi
L'effetto triboelettrico è l'elettrizzazione di due materiali diversi che vengono messi a contatto e poi separati; lo strofinio aumenta le zone di contatto e rende l'effetto più evidente.
Il materiale che cede elettroni si carica positivamente, quello che li acquista negativamente; la carica totale si conserva.
La scala triboelettrica ordina i materiali: dei due, quello più in alto si carica positivamente, quello più in basso negativamente.
Conta la posizione relativa: lo stesso materiale può caricarsi positivamente o negativamente a seconda del materiale con cui viene a contatto.
La scala è qualitativa: l'ordine varia tra le fonti e il risultato dipende dalle condizioni, in particolare dall'umidità.
Nei solidi isolanti il meccanismo è complesso e ancora oggetto di ricerca.
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.