Transcription
Fenomeni come i fulmini o episodi come la scossa che a volte prendiamo scendendo dalla macchina e toccando la carrozzeria sono strettamente collegati ai concetti di carica elettrica ed elettrizzazione.
La parola “elettricità” deriva dal greco elektron, che significa “ambra”. Erano stati i filosofi greci, infatti, ad accorgersi, già nel 600 a.C., che dei pezzetti di ambra strofinati sul vello di una pecora acquisivano la capacità di attrarre corpi leggeri come, ad esempio, piume o pezzetti di paglia.
Anche facendo il semplice esperimento di strofinare una penna di plastica su un panno di lana ed avvicinarla a pezzetti di carta, possiamo osservare che la penna riesce ad attirare i pezzettini di carta. Un corpo che, come la penna di plastica o i pezzi di ambra, acquisisce la capacità di attirare oggetti leggeri viene detto elettrizzato.
Nei casi che abbiamo esaminato, in particolare, parliamo di elettrizzazione per strofinio proprio per intendere che è stato lo strofinio a rendere la penna o i pezzi di ambra capaci di attirare oggetti leggeri verso di loro.
Supponiamo adesso di utilizzare un panno di seta per elettrizzare per strofinio quattro bacchette, due di plastica e due di vetro. Iniziamo a sospendere due di queste bacchette, diciamo le due di vetro, mediante dei fili. Facciamo la stessa cosa utilizzando sia due bacchette di plastica che, separatamente, una bacchetta di vetro ed una di plastica. In ciascuna di queste tre situazioni possiamo osservare differenti fenomeni.
Nel primo caso, ad esempio, ci accorgiamo che le due bacchette di vetro elettrizzate si respingono reciprocamente. La stessa cosa succede considerando le due bacchette di plastica elettrizzate, mentre la bacchetta di plastica e quella di vetro si attraggono. In tutti i casi, quindi, notiamo che, in qualche modo, si esercitano delle forze tra i due corpi sospesi, e che tali forze possono essere repulsive, come in questi due casi, o attrattive, come in questa terza configurazione.
Tali comportamenti possono essere spiegati ipotizzando che l’elettricità, in un certo senso, non sia sempre uguale, ma che esistano due diversi tipi di elettricità, ovvero due diversi tipi di carica elettrica, la carica elettrica positiva da una parte e la carica elettrica negativa dall’altra. Ciò che succede alle bacchette di vetro, ad esempio, è che, per strofinio, esse acquisiscono una carica dello stesso tipo che è, in particolare, positiva e che indichiamo con il segno più. Discorso analogo vale per le due bacchette di plastica che, invece, si caricano negativamente. In questo terzo caso, infine, la bacchetta di plastica ha carica negativa, mentre quella di vetro ha carica positiva.
Aggiungendo le informazioni sulla carica elettrica ai fatti che abbiamo osservato, concludiamo quindi che due corpi che hanno cariche elettriche dello stesso segno si respingono, come in questi due casi, e che corpi che hanno cariche elettriche di segni opposti si attraggono, come abbiamo osservato in questa situazione.
Un’altra informazione da tenere presente quando si parla di cariche è che della carica elettrica esiste anche un’unita di misura che, nel Sistema Internazionale è il coulomb, che si indica con la lettera C. L’elettrone, ad esempio, ha una carica elettrica negativa che vale circa -1,6 per 10 alla -19 Coulomb e che è l’opposto di quella del protone.
Queste due particelle, inoltre, costituiscono l’atomo. Nello specifico, sappiamo che i protoni si trovano legati nel nucleo di un atomo, mentre gli elettroni si muovono intorno al nucleo. In un atomo neutro come quello che vedi qui schematizzato, in particolare, il numero di protoni è uguale a quello degli elettroni. In un caso come questo in cui la carica elettrica positiva equilibra quella negativa diciamo che l’atomo è neutro.
È proprio a partire dagli atomi che è possibile capire meglio quello che si verifica con le nostre bacchette di vetro e di plastica. Prima di essere strofinate, infatti, tutte le bacchette sono costituite da atomi neutri, ed anche il panno è neutro. Prendendo l’esempio della bacchetta di vetro, però, quando la andiamo a strofinare con il panno accade che parte degli elettroni negli atomi del vetro si trasferiscono al panno. In questo modo, il panno, che ha acquistato elettroni, ha un eccesso di carica negativa, ed è quindi carico negativamente, mentre la bacchetta di vetro, proprio come avevamo visto prima, avendo perso alcuni elettroni, ha anche perso l’equilibrio iniziale a vantaggio della carica positiva, che è quindi, appunto, in eccesso.
Nel caso della bacchetta di plastica, invece, la carica negativa che essa ottiene alla fine dello strofinio con il panno è dovuta al fatto che lo stesso panno cede elettroni alla bacchetta. Questo passaggio di elettroni, se da un lato rende il panno carico positivamente, dall’altro fa eccedere nella bacchetta di plastica la carica negativa.
Analizziamo ora i due sistemi [bacchetta di vetro + panno] e [bacchetta di plastica + panno]. Pur essendosi verificato un trasferimento di elettroni, in entrambi i casi, sia prima che dopo lo strofinio, la somma delle cariche positive e delle cariche negative è rimasta la stessa. Se prima dello strofinio, infatti, tutti i corpi erano neutri e la carica totale dei sistemi era nulla, anche dopo il trasferimento di elettroni, quando i corpi si trovano elettrizzati con cariche di uguale valore e di segno opposto, la carica totale del sistema rimane ancora nulla.
La conservazione della carica elettrica, in particolare, deriva da una legge della fisica che ci permette di affermare che in un sistema chiuso, come quelli che vedi evidenziati qui che non scambiano materia con l’esterno, la somma algebrica delle cariche elettriche si mantiene, appunto, costante.
Parlando di carica elettrica e del suo trasferimento, inoltre, c’è da dire che i materiali stessi che sono coinvolti in questi passaggi di elettroni, possono essere distinti in materiali conduttori e materiali isolanti a seconda di quanto facilmente la carica può essere trasferita. Nel caso dei materiali conduttori, come ad esempio i metalli come l’argento, il rame e l’oro, la carica elettrica si trasferisce con facilità, come se avesse strada libera davanti a sé, mentre i materiali isolanti come la plastica, la carta, il legno o il vetro, rendono il passaggio della carica piuttosto difficile, come in una strada trafficata, per intenderci.
Un elettroscopio, cioè uno strumento che ci permette di capire se un corpo è carico o meno, è fatto di tre materiali conduttori: un pomello che non è altro che una sfera conduttrice, un’asta conduttrice e due striscioline molto sottili fatte solitamente di oro e dette anche foglie conduttrici. Osserviamo che se con un manico isolante prendiamo una bacchetta elettrizzata e la poggiamo sulla sfera, le foglioline all’estremità dell’asta conduttrice si divaricano. Ciò è dovuto al fatto che il pomello del nostro elettroscopio è un conduttore che, quando toccato da un oggetto carico come la nostra bacchetta, consente a parte della carica presente nella bacchetta di fluire con facilità fino all’asta e alle foglioline, altri oggetti fatti di materiale conduttore.
L’elettrizzazione che consente ai corpi conduttori come la sfera di caricarsi viene detta elettrizzazione per contatto, ed è alla base del funzionamento di un elettroscopio. Ciò che invece fa divaricare le foglioline è un principio che abbiamo visto ad inizio video. Le foglioline, infatti, alla fine di queste elettrizzazioni, saranno elettrizzate con cariche dello stesso segno e, appunto, si respingeranno. La divaricazione delle foglione testimonia proprio che il corpo con il quale abbiamo toccato il pomello dell’elettroscopio è carico. Se la bacchetta non fosse stata carica, invece, non avremmo potuto osservare alcun allontanamento delle foglioline.
Per finire, un modo tramite il quale possiamo scaricare l’elettroscopio, e che rappresenta anche il motivo per il quale utilizziamo un manico isolante per avvicinare la bacchetta elettrizzata allo strumento, è quello di toccare il pomello con un dito. In questo modo, sfruttando il fatto che il nostro corpo è un conduttore, facciamo in modo che con un semplice tocco la carica in eccesso si scarichi a terra.
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