Officina dell'Elettrostatica › Modulo 1 › L'Elettrizzazione dei Corpi
Dalla struttura atomica ai principali modi di elettrizzare e riconoscere un corpo.
Fin dall'antichità è noto che strofinando un pezzo di ambra (in greco èlektron) con un panno di lana, esso acquista la capacità di attirare piccoli frammenti leggeri. Questo fenomeno è la manifestazione macroscopica di una proprietà intrinseca della materia: la carica elettrica.
A livello microscopico, la materia è costituita da atomi formati da un nucleo centrale, contenente protoni con carica positiva e neutroni elettricamente neutri, circondato dagli elettroni, che hanno carica negativa. Nei semplici schemi didattici gli elettroni vengono spesso rappresentati su orbite, ma non percorrono orbite definite come pianeti intorno al Sole.
Un atomo è elettricamente neutro quando il numero dei protoni è uguale al numero degli elettroni: le cariche positive e negative si compensano. Più in generale, un corpo è elettricamente neutro quando, nel suo insieme, le cariche positive e negative si compensano.
Se questo equilibrio viene modificato e le cariche positive e negative non si compensano più, il corpo non è più neutro: diciamo che è stato elettrizzato. Se presenta un eccesso di elettroni, prevale la carica negativa e il corpo è elettrizzato negativamente; se presenta un difetto di elettroni, prevale la carica positiva e il corpo è elettrizzato positivamente.
Figura 1 — Rappresentazione schematica di un atomo neutro: qui tre protoni e tre elettroni. I neutroni (n) non portano carica. Le cariche positive e negative si compensano e la carica totale dell'atomo è nulla.
Fin qui abbiamo considerato il bilancio delle cariche in un corpo: quando le cariche positive e negative si compensano il corpo è neutro; quando questo equilibrio viene meno il corpo risulta elettrizzato.
I materiali, però, non si comportano tutti allo stesso modo. Strofinando una bacchetta di plastica, la carica resta dove è stata prodotta: la bacchetta attira i pezzetti di carta soltanto dalla parte strofinata. Se si ripete la stessa operazione con una sbarra metallica tenuta in mano, non si osserva alcun effetto. La differenza non sta nella carica, che in entrambi i casi viene trasferita, ma in quello che le accade dopo: in alcuni materiali le cariche possono spostarsi, in altri restano dove si trovano.
La distinzione tra conduttori e isolanti nasce proprio dal diverso comportamento delle cariche all'interno dei materiali. Nei conduttori sono presenti cariche mobili che possono spostarsi attraverso il materiale; negli isolanti, invece, le cariche non possono muoversi liberamente da una zona all'altra del corpo.
Nella simulazione Conduttori e isolanti puoi inserire diversi materiali all'interno di un circuito elettrico e verificare se la lampadina si accende: se il materiale permette il passaggio della corrente, si comporta da conduttore; se la lampadina resta spenta, si comporta da isolante. Premendo il tasto Mostra ingrandimento puoi inoltre osservare, a livello microscopico, il diverso comportamento delle cariche in un materiale conduttore e in un materiale isolante.
| Proprietà | Conduttori | Isolanti (Dielettrici) |
|---|---|---|
| Struttura microscopica | Sono presenti portatori di carica che possono muoversi attraverso il materiale; nei metalli sono principalmente elettroni di conduzione. | Le cariche non possono spostarsi liberamente attraverso tutto il materiale. |
| Comportamento della carica | All'equilibrio elettrostatico, la carica in eccesso si redistribuisce sulla superficie del conduttore e, in generale, non è distribuita uniformemente. | La carica trasferita tende a rimanere localizzata nella zona in cui è stata depositata. |
| Esempi tipici | Rame, alluminio, ferro, oro, soluzioni elettrolitiche, corpo umano. | Vetro, plastica, gomma, ceramica, ambra, legno asciutto. |
Abbiamo quindi visto che un corpo può risultare elettrizzato quando presenta un eccesso o un difetto di elettroni. Inoltre, la possibilità degli elettroni di muoversi all'interno del materiale è diversa nei conduttori e negli isolanti. Questa proprietà è fondamentale per comprendere i diversi meccanismi con cui le cariche possono essere trasferite da un corpo a un altro oppure redistribuite all'interno di un corpo.
I modi di elettrizzazione che esamineremo sono tre:
Il primo caso è quello di due materiali diversi che vengono messi a stretto contatto e poi separati. Alcuni elettroni possono passare da un materiale all'altro. Lo strofinio aumenta le zone di contatto tra le superfici e rende il fenomeno più evidente.
È ciò che accade, per esempio, strofinando:
In tutti questi casi sono sempre coinvolti due materiali: quello che viene strofinato e quello contro cui avviene lo strofinio.
A seconda della natura dei due materiali:
Durante lo strofinio non si genera carica dal nulla: si verifica un trasferimento di elettroni già esistenti da un corpo all'altro. Nei comuni fenomeni di elettrizzazione sono gli elettroni a trasferirsi; i protoni rimangono legati all'interno dei nuclei atomici.
Una volta elettrizzati, i corpi possono esercitare forze elettriche a distanza:
Nella simulazione Elettrizzazione per strofinio puoi osservare due bacchette elettrizzate che vengono avvicinate tra loro. La simulazione mostra gli effetti dell'elettrizzazione: a seconda del segno delle cariche presenti sulle bacchette, si osserva attrazione oppure repulsione.
Nello strofinio abbiamo visto un trasferimento di elettroni tra materiali diversi. Nei conduttori, però, la presenza di cariche mobili rende possibile anche un altro fenomeno: quando un conduttore carico viene posto a contatto diretto con un conduttore neutro, le cariche si redistribuiscono molto rapidamente tra i due corpi. Al termine del contatto, entrambi possono risultare elettrizzati con lo stesso segno del corpo inizialmente carico.
Se entrambi i corpi sono già elettrizzati, durante il contatto le cariche mobili si redistribuiscono. Il bilancio complessivo si conserva, mentre la distribuzione finale dipende anche dalle caratteristiche dei due corpi. Nel caso particolarmente semplice di due sfere conduttrici identiche, la situazione finale è simmetrica.
Nella simulazione Elettrizzazione per contatto puoi mettere a contatto due corpi e osservare come cambia lo stato di elettrizzazione di ciascuno prima e dopo il contatto.
Se una sfera conduttrice carica viene posta a contatto con una seconda sfera identica e inizialmente neutra, la carica complessiva si redistribuisce tra le due. Poiché le sfere sono identiche, alla fine possiedono la stessa quantità di carica e dello stesso segno. Se vengono poi separate, tendono a respingersi.
Il contatto non è però indispensabile per modificare la distribuzione delle cariche in un conduttore. Proprio perché nei conduttori sono presenti cariche mobili, un corpo carico avvicinato può provocarne lo spostamento anche senza toccare il conduttore. È il fenomeno dell'induzione elettrostatica.
È importante distinguere due situazioni.
Se avviciniamo, per esempio, una bacchetta caricata negativamente a un conduttore neutro isolato, gli elettroni mobili del conduttore vengono respinti verso la parte più lontana. La zona vicina alla bacchetta presenta quindi un difetto di elettroni, mentre quella lontana presenta un eccesso di elettroni. Il conduttore nel suo insieme rimane però neutro: è cambiata soltanto la distribuzione interna delle cariche.
Per lasciare il conduttore con una carica netta anche dopo aver allontanato la bacchetta occorre aggiungere una messa a terra. In questo contesto la Terra può essere considerata un enorme conduttore capace di ricevere o fornire elettroni.
Se la bacchetta inducente è positiva, il processo avviene in senso opposto: durante la messa a terra elettroni arrivano dalla Terra al conduttore, che alla fine rimane carico negativamente.
Nella simulazione Elettrizzazione per induzione puoi ripercorrere la procedura nell'ordine corretto: avvicina la bacchetta, collega a terra, scollega la terra e soltanto alla fine allontana la bacchetta.
Negli isolanti la situazione è diversa: gli elettroni non possono muoversi liberamente attraverso tutto il materiale come avviene nei conduttori. Restano però liberi di spostarsi di pochissimo attorno al proprio nucleo. Quando un corpo carico viene avvicinato, la nuvola elettronica di ogni atomo viene attratta o respinta e si deforma, spostandosi leggermente rispetto al nucleo, che invece resta fermo. Il centro delle cariche negative non coincide più con quello delle cariche positive: l'atomo resta neutro, ma presenta un lato un po' più negativo e uno un po' più positivo.
Nelle sostanze formate da molecole che possiedono già un lato positivo e uno negativo, come l'acqua, si aggiunge un secondo effetto: le molecole ruotano su se stesse orientandosi verso il corpo carico. In entrambi i casi il fenomeno prende il nome di polarizzazione dielettrica.
La polarizzazione spiega perché una bacchetta strofinata può attirare piccoli frammenti di carta, pur essendo questi globalmente neutri. La polarizzazione produce una piccola separazione delle cariche all'interno del materiale: nella regione più vicina al corpo carico compare una lieve prevalenza di carica di segno opposto, mentre nella regione più lontana prevale carica dello stesso segno. Poiché la regione di segno opposto è più vicina, l'attrazione risulta più intensa della repulsione.
Figura 2 — Polarizzazione: avvicinando una bacchetta carica positivamente, dentro ogni molecola della carta le cariche negative si spostano di pochissimo verso la bacchetta. La faccia vicina presenta allora una prevalenza di carica negativa e quella lontana di carica positiva. Le due forze hanno verso opposto, ma quella di attrazione agisce su cariche più vicine: la carta viene attirata, pur restando neutra nel complesso.
I fenomeni studiati finora — trasferimento e redistribuzione delle cariche — possono essere sfruttati anche per capire se un corpo è elettrizzato. L'elettroscopio a foglie è uno strumento che consente di verificare la presenza di carica elettrica e di confrontare qualitativamente stati di elettrizzazione diversi. È costituito da un pomello metallico conduttore collegato tramite un'asta a due sottilissime lamine metalliche (foglie d'oro o d'alluminio), racchiuse all'interno di un contenitore di vetro per proteggerle da correnti d'aria.
Figura 3 — Elettroscopio a foglie: quando sulle due foglioline sono presenti cariche dello stesso segno, esse si respingono e si divaricano.
Nella simulazione L'elettroscopio a foglie puoi elettrizzare lo strumento per contatto con una carica di segno noto e osservare la divaricazione delle foglioline. Successivamente puoi avvicinare al pomello un secondo corpo carico, di segno sconosciuto, senza toccare l'elettroscopio: se le foglioline si aprono maggiormente, il secondo corpo ha lo stesso segno della carica già presente sull'elettroscopio; se invece tendono a richiudersi, ha segno opposto. In questo modo l'elettroscopio permette anche di determinare qualitativamente il segno di una carica sconosciuta.
Se un corpo carico viene messo a contatto con il pomello, le cariche mobili si redistribuiscono lungo le parti metalliche dell'elettroscopio. Le due foglioline finiscono per avere cariche dello stesso segno e quindi si respingono, divaricandosi. Le foglie possono aprirsi anche senza contatto: basta avvicinare un corpo carico al pomello perché le cariche presenti nell'elettroscopio si redistribuiscano.
L'elettroscopio permette di rilevare la presenza di un'elettrizzazione e di confrontare qualitativamente situazioni diverse, ma non misura direttamente il valore della carica. Inoltre, se inizialmente è neutro, la sola apertura delle foglie non permette di stabilire il segno della carica del corpo esaminato. Per determinarlo occorre confrontare il comportamento dello strumento con quello prodotto da una carica di segno già noto.
Osservando insieme tutti i fenomeni studiati emerge una proprietà comune: le cariche possono trasferirsi da un corpo a un altro oppure redistribuirsi all'interno di un corpo, ma non vengono create né distrutte. Da questa osservazione si arriva al principio di conservazione della carica.
Quando un corpo è collegato a Terra, il corpo da solo non è un sistema isolato: gli elettroni possono entrare o uscire. Per verificare la conservazione della carica bisogna considerare insieme il corpo e la Terra.
Nella simulazione La conservazione della carica puoi far avvenire i diversi processi di elettrizzazione e osservare che ciò che viene ceduto da una parte del sistema compare in un'altra: il bilancio complessivo non cambia.
Il metallo e il corpo umano sono entrambi conduttori. Le cariche trasferite alla forchetta possono quindi disperdersi rapidamente attraverso la mano e il corpo verso l'ambiente, rendendo difficile osservare l'elettrizzazione. Se la forchetta viene invece isolata elettricamente, la carica può rimanere più a lungo sul metallo.
Le cariche mobili si redistribuiscono tra le due sfere. Poiché le sfere sono identiche, alla fine presentano lo stesso stato di elettrizzazione. Se vengono separate, hanno cariche dello stesso segno e tendono a respingersi.
Nell'induzione elettrostatica, tipica dei conduttori, le cariche mobili si redistribuiscono attraverso il materiale. Nella polarizzazione degli isolanti, invece, avvengono soltanto piccoli spostamenti relativi delle cariche o orientamenti molecolari, senza un libero movimento di cariche attraverso tutto il corpo.
No. Il semplice avvicinamento provoca una redistribuzione delle cariche, ma il conduttore rimane globalmente neutro. Per ottenere una carica netta permanente occorre anche la messa a terra e bisogna eseguire le operazioni nell'ordine corretto.