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Già gli antichi Greci avevano notato (V
secolo a.c.) che se si strofinano alcuni materiali (in
particolare l'ambra, in greco
ηλεκτρoν,
elektron, da cui poi il termine elettricità, che è
una resina fossile. E' un materiale colloso e trasparente
che col tempo si indurisce, appunto "fossilizza", e che era
utilizzato per realizzare gioielli - Se vi ricordate il film
"Jurassic Park" è il materiale in cui sarebbero state
conservate le zanzare giurassiche che forniscono il DNA dei
dinosauri) con un panno di lana, questi poi diventano
capaci di "attirare" (o respingere) altri materiali come
polvere, pagliuzze, capelli ...
In età moderna fu Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) a
studiare il fenomeno e in particolare a misurare le forze
prodotte dalle cariche elettrostatiche (appunto da lui
prende il nome della grandezza fisica "carica elettrica" il
Coloumb).
Il fenomeno si spiega ricordando la struttura degli atomi,
composti da un nucleo che contiene Protoni (a carica
POSITIVA) e Neutroni (a carica neutra e per quello che
stiamo trattando ora possiamo trascurarli) e da Elettroni
(carica NEGATIVA) che gli orbitano attorno.
Quando strofiniamo un materiale "isolante" (vedremo tra poco
cosa vuol dire) con un altro può accadere che alcuni
elettroni si spostino da un materiale all'altro, lasciando
"sbilanciata" la carica elettrica. |
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In questo modo uno dei due
risulta elettricamente carico, e quindi in grado di attirare
a se cariche di segno opposto (un altro materiale anch'esso
elettricamente carico ).
In particolare già i Greci avevano osservato che se strofino
con un panno di lana due oggetti fatti dello stesso
materiale, questi poi si respingeranno, mentre tutti e due
attireranno il panno di lana con cui sono stati strofinati.
Coloumb in pratica realizzò lo stesso esperimento di
Cavendish che abbiamo
visto nel capitolo III quando abbiamo studiato come
funzionano le forze gravitazionali, per misurare le forse
dovute alle cariche elettrostatiche. |
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Il CAMPO
ELETTRICO |
Come è possibile parlare di "campo gravitazionale" quando tra le due
masse c'è una differenza tale da poter ragionevolmente pensare che
la massa più piccola non influenzi le caratteristiche del campo di
attrazione della massa più grande, così anche per le cariche
elettriche possiamo parlare di "campo elettrico", visualizzandolo
come le linee di forza che attirano o respingono una piccola "carica
di prova".
Se riscriviamo l'equazione che ci da la forza elettrica evidenziando
"tirando fuori" la carica di prova e immaginando la forza elettrica
come una forza di valore fisso che si "distribuisce" sulla
superficie di una sfera questa viene così: |
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Scrivere k o scrivere k/4π
, dal momento che parliamo di una costante, non cambia la
sostanza, ma in questo modo vediamo come l'intensità della
forza diminuisce con l'aumentare della superficie della
sfera di raggio uguale alla distanza tra le due cariche.
Questo tipo di distribuzione è comune a tutti i fenomeni
"simmetrici", come lo è il campo elettrico dovuto ad una
carica puntiforme o il campo gravitazionale di una massa
qualsiasi ad una distanza sufficiente a poterla assimilare
ad una massa puntiforme (anche una enorme stella, da lontano
sembra un puntino).
Potete immaginare un campo simmetrico relativo ad una carica
puntiforme come tanti "raggi" che partono dalla carica.
La densità di questi raggi ad una certa distanza dal punto
che li genera è uguale al numero dei raggi diviso per la
superficie, appunto della sfera con raggio uguale alla
distanza.
Le cose cambiano se le due cariche sono di entità tale da
interagire tra di loro e modificare le linee di flusso. |
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Nelle due figure a lato sono rappresentate
le linee di flusso di un campo elettrico generato da due
cariche uguali, nel primo caso di ugual segno e nel secondo
caso di segno opposto. |
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SI definisce CAMPO ELETTRICO e si
indica con E la forza elettrica generata da una carica
elettrica o una distribuzione di cariche, divisa per il
valore della carica elettrica di prova.
In questo modo il CAMPO ELETTRICO diventa indipendente dalla
carica di prova.
Il campo elettrico è un vettore (è diretto secondo le "linee
di flusso" che vedete nelle varie rappresentazioni e, per
quello che possiamo calcolare noi, è diretto verso la carica
puntiforme (cioè il centro della sfera).
Ora vediamo in particolare cosa succederebbe se noi
disponessimo di due superfici di dimensioni infinite
caricate con cariche opposte: il campo avrebbe la forma
delle figura a lato.
In pratica le linee si disporrebbero perpendicolarmente alle
due superfici e il campo risulterebbe costante
indipendentemente dalla distanza del punto dove lo andassimo
a misurare rispetto alle due lastre.
Per due piastre di dimensioni finite, ma abbastanza vicine
da poterle considerare molto grandi rispetto alla distanza
che le separa, e non volendo essere troppo pignoli e quindi
non andando a vedere cosa succede sui bordi, il campo
elettrico può essere così valutato: |
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Se chiamiamo
σ
la "densità di carica" cioè la carica totale Q sulle
due piastre diviso per la superficie S delle piastre
il campo elettrico tra queste risulta costante e dipende
solo dalle cariche, dalla superficie delle piastre e come
sempre dalla "costante dielettrica" che dipende dal tipo di
materiale che si interpone tra le due piastre.
Questa particolare distribuzione di cariche trova
applicazione in elettrotecnica ed elettronica ed è il
"condensatore".
Più avanti vedremo le sue caratteristiche specifiche. |
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Isolanti e
conduttori |
I materiali, rispetto alle cariche
elettriche, si comportano in modo diverso.
In particolare vi sono materiali, tipicamente i
metalli, che per la loro struttura hanno una grande
facilità a permettere la mobilità degli elettroni.
Nei metalli infatti gli elettroni sono messi "in
comune" da tutti gli atomi e sono liberi di
muoversi.
Negli altri materiali invece gli elettroni sono
legati alle loro molecole e hanno una mobilità
piuttosto limitata. |
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Per questo se io avvicino una barretta metallica
ad un oggetto dotato, ad esempio, di carica
positiva, gli elettroni liberi di muoversi vengono
attirati dalla carica positiva e si spostano verso
l'estremità vicina all'oggetto carico positivamente.
Pertanto la barretta metallica, all'altra estremità,
risulterà più povera di elettroni e quindi sarà
dotata di carica positiva.
Questo fenomeno si chiama "induzione", perché la
carica di un polo dell'oggetto conduttore è
"indotta" da un altro oggetto. |
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Se consideriamo un solido qualsiasi
composto da materiale conduttore, le cariche elettriche al
suo interno sono quindi libere di muoversi.
Se il solido è isolato rispetto al resto del mondo (ad
esempio una sfera metallica su un supporto di plastica) ed è
elettricamente carica, le cariche, dello stesso segno,
tenderanno a respingersi. Ed essendo libere di muoversi si
allontaneranno più che possono le une dalle altre, di fatto
disponendosi sulla superficie del conduttore.
Quindi all'interno del conduttore non vi saranno cariche e
il campo elettrico sarà nullo.
In generale su un conduttore le cariche si dispongono su una
superficie.
Se prendiamo quindi una massa metallica (o una albero, pieno
di linfa umida e quindi anche lui conduttore) le cariche si
dispongono sulla superficie.
Dove c'è più superficie relativamente al materiale quindi vi
è una maggiore densità di carica. |
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In generale questo avviene sulle "punte",
dove c'è più superficie in relazione alla quantità di
materiale.
E' il motivo per cui le cose "a punta" attirano i fulmini. |
Nei materiali (solidi, liquidi o gas che siano) le
cariche si spostano fisicamente (se possono farlo) oppure,
se le molecole che compongono il materiale sono
polarizzabili (cioè sono composte da elementi che tendono
con maggiore facilità a cedere o meno elettroni) anche il
materiale si "polarizza" - le cariche non si spostano ma le
molecole si allineano in modo ordinato,
Ad esempio, la molecola dell'acqua è formata da un atomo di
ossigeno, che è dotato di carica negativa e da due atomi di
idrogeno, positivi.
In condizioni normali le molecole dell'acqua sono orientate
a caso, in modo disordinato.
Ma se le sottoiponiamo ad un campo elettrico tendono ad
orientarsi nel senso che le molecole di ossigeno vengono
attirate dalla carica positiva e quelle di idrogeno dalla
carica negativa.
In pratica si "orientano" tutte nello stesso verso.
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Campo elettrico
ed energia |
Se prendiamo una carica elettrica in un campo elettrico
come abbiamo visto è soggetta ad una forza,
Quindi quando questa si sposta nel senso delle linee di
flusso del campo elettrico, il campo compie un LAVORO
che, come nel caso delle masse e della forza di gravità, o
di qualsiasi altra forza che sposti qualcosa è dato da L
= FxS (con S spostamento).
Nel caso del campo elettrico generato da una carica
puntiforme, dove come abbiamo visto la forza dipende dalla
distanza dal centro del campo, è un po' difficile fare conti
in quanto al variare della distanza cambia anche la forza
elettrica (è inversamente proporzionale al quadrato della
distanza dal centro).
Pertanto ci limitiamo a considerare cosa succede ad una
carica che si muove all'interno di un campo generato da due
piastre piane parallele.
Il lavoro che il campo svolge sulla carica q1
è ovviamente la forza elettrica per lo spostamento.
Il lavoro che "potenzialmente" il campo elettrico (tra due
piastre parallele) può eseguire è quindi dato dal campo per
la distanza della carica dalla piastra. |
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Per non dover considerare il valore della
carica, invece del "lavoro potenziale" utilizziamo il
"potenziale elettrico", che è dato dal lavoro potenziale
diviso per la carica (se facciamo il confronto con il campo
gravitazionale il lavoro - o energia - potenziale è mgh,
il potenziale gravitazionale sarebbe gh, in questo
modo libero dal fatto di utilizzare una particolare massa).
Il potenziale elettrico si misura in Volt - simbolo V
(il Volt prende il nome dal fisico italiano Alessandro Volta
che studiò gli effetti delle correnti elettriche e inventò
la "pila").
Nelle applicazioni pratiche poi ha particolare interesse la
"differenza di potenziale" elettrico tra due punti nello
spazio, che è data dalla differenza di potenziale dei due
punti e quindi in pratica dal campo elettrico per la
distanza tra i due punti (misurata sempre nel senso delle
linee di flusso del campo). |
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Nelle applicazioni pratiche avrà poi una grande importanza il
"movimento" delle cariche elettriche tra due punti a diverso
potenziale, e cioè la "corrente elettrica", che vedremo nei capitoli
successivi. |
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I fulmini |
Il fenomeno sicuramente più
notevole legato all'elettricità statica è il lampo, o
fulmine.
Il fenomeno del fulmine dal punto di vista concettuale non è
molto complesso.
Semplicemente le nubi sono composte da goccioline d'acqua o
cristalli di ghiaccio in sospensione nell'aria.
Nelle nubi temporalesche queste goccioline si muovono
velocemente, sfregando le une contro le altre, e si caricano
elettricamente.
Generalmente possiamo avere cariche sia positive che
negative (la maggior parte dei fulmini avvengono tra nubi e
non vanno ad interessare il suolo).
Quando sul suolo è presente una carica (in genere positiva),
per induzione, le cariche negative della nuvola si
raccolgono sulla superficie inferiore.
Quando la carica raggiunge un valore abbastanza elevato
l'isolamento dato dall'aria non è più sufficiente a tenere
separate le cariche che a questo punto si spostano
velocemente dalla nube verso il suolo generando la scarica
elettrica.
Siccome le nuvole sono molto distanti dal suolo il valore di
s che abbiamo visto poco fa è molto grande e di conseguenza
è grande anche il valore di V (le scariche dei fulmini
raggiungono differenze di potenziale dell'ordine dei milioni
di Volt).
Se invece andiamo un po' più nel particolare le cose sono un
pochino più complesse. |
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In pratica perché si generi la scarica
occorre che tra la nube e il suolo si venga a formare un
"canale" di aria ionizzata (cioè particelle elettricamente
cariche o polarizzate) che fa da "conduttore" tra il suolo e
la nube.
A questo punto avviene una relativamente piccola scarica
elettrica che ha però l'effetto di completare la
ionizzazione di questo canale rendendolo fortemente
conduttivo.
Subito dopo attraverso lo stesso canale la nube si "scarica"
in modo massiccio. |
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Le cariche elettrostatiche sono la causa
delle note "scintille" che sentiamo quando scendiamo
dall'automobile.
Durante la marcia, l'auto, che è una massa conduttrice
isolata da terra (dagli pneumatici di gomma) si carica
elettrostaticamente.
Quando scendiamo a terra e tocchiamo la carrozzeria,
esattamente come la nube che scarica il fulmine attraverso
l'aria, la carrozzeria si "scarica" attraverso il nostro
corpo.
La cosa è sostanzialmente fastidiosa ma nulla più.
Sulle auto a volte si installano delle "cinghie
antistatiche" che servono per collegare al terreno l'auto e
impedire l'accumulo di cariche.
Se invece fossimo in presenza di vapori infiammabili, come
ad esempio durante il rifornimento di una cisterna,
l'eventuale scintilla potrebbe causare un incendio.
Per questo quando si rifornisce un'autocisterna PRIMA di
procedere al rifornimento si collega la massa metallica del
mezzo a terra tramite un cavo.
In questo modo le cariche elettrostatiche accumulate si
scaricano a terra e non vi è pericolo che si generino
scintille.
La stessa precauzione si deve prendere ogni volta che si fa
rifornimento ad un aereo.
Prima di avvicinare il bocchettone alla massa metallica si
deve collegare a terra l'aereo con un cavo.
Nel 1937 fu una scarica elettrostatica tra il pilone
d'ancoraggio e la carcassa del dirigibile Hindemburg che
causò uno degli incidenti più famosi dell'aviazione.
L'Hindemburg era gonfio di idrogeno (fortemente
infiammabile) anche se fu progettato per essere riempito
d'elio (al contrario inerte), in quanto l'embargo messo in
atto dagli USA impediva alla |
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Germania di Hitler di disporre di questo gas.
L'incidente che costò la vita a 36 persone, segnò la fine dell'era
dei dirigibili.
Ebbe particolare risonanza in quanto la scena (all'epoca gli
"ancoraggi" dei dirigibili erano eventi abbastanza spettacolari da
meritare la presenza degli operatori dei cinegiornali) fu ripresa da
operatori e fotografi e quindi poi vista in pratica in tutto il
mondo. |
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Anche nelle sale operatorie e in
genere egli ambienti dove si fa uso di gas medicali infiammabili
(etere) si doveva far attenzione a che non si generassero scintille
a causa di un accumulo di cariche elettrostatiche.
Per questo le calzature di chi opera in questi ambienti non possono
essere isolanti, così come i pavimenti che devono essere
appositamente previsti "antistatici", le ruote dei lettini e dei
mobili e in genere ogni apparato che deve essere rigorosamente
collegato a terra.
Oggi queste prescrizioni, con l'abbandono dell'etere come gas
anestetico, non sono più necessarie (non sono più richieste dalla
quinta edizione della norma CEI 64-8 - 2003). |
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