capitolo - Zanichelli

1 Elettromagnetismo3621 Fenomeni elettrostatici elementariL esistenza di una propriet della materia nota come carica elettrica si manifesta in modo evidente in molti fenomeni della vita Dolgachov/ShutterstockIn realt la carica elettrica una propriet fondamentale della materia che, come la massa, non pu essere interpretata in termini di concetti pi elementari. Essa in-terviene nella quasi totalit dei fenomeni naturali: basti pensare che gli atomi sono tenuti assieme da forze che hanno origine proprio dalla carica suo studio sistematico inizi solo nel XVIII secolo, ma gi nel VI secolo Talete di Mileto aveva osservato che l ambra, una resina fossile, acquista la capacit temporanea di attrarre piccoli oggetti come pagliuzze o fli quando viene strofnata.

2 Dal nome greco dell ambra, elektron, deriva il termine moderno elettricit . Elettrizzazione per strofin oIl modo pi semplice di elettrizzare un corpo, cio metterlo in grado di attrarre pic-coli oggetti, quello di strofinarlo con un panno o un altro corpo. VidEoFenomeni elettrostaticiDan Dvorscak / FlickrElettrostaticacapitolo13363 capitolo 13 ElettrostaticaNotiamo una prima caratteristica della forza, che chiamiamo elettrica, con cui il corpo elettrizzato attrae un piccolo oggetto:la forza elettrica diminuisce con la un pezzetto di plastica elettrizzata attrae in modo deciso una pallina di carta stagnola posta vicino a essa, mentre l attrazione trascurabile se la pallina dista oltre 10 RomeniMassimo RomeniUn pezzettino di carta viene facilmente sollevato da una penna elettrizzata per strofinio.

3 Ci significa che la forza elet-trica su di esso maggiore del suo peso. Questo deve far riflettere: il peso la forza con cui un corpo immenso come la Terra attrae il pezzettino di carta. Da un lato, quindi, la forza gravitazionale esercitata da una massa di 6 1024 kg sul pezzettino di carta, dall altra la forza elettrica esercitata da una penna: il fat-to che vinca la penna fa supporre che la forza elettrica sia in generale molto pi intensa di quella studiare le interazioni fra due corpi entrambi elettrizzati per strofn o, consi-deriamo una coppia di bacchette di vetro e una coppia di bacchette di bachelite (una plastica dura) elettrizzate mediante un panno di seta.

4 Quando si avvicinano due bac-chette libere di ruotare, si osservano i fenomeni due bacchette di vetro si respingo-no l un l due bacchette di bachelite si re-spingono l un l bacchetta di vetro e quella di ba-chelite si attraggono l un l chela forza elettrica pu essere sia attrattiva sia fisica di tutti i giorniLa forza elettrica vince quella gravitazionale Gardini, Parma 2004364 ElettromagnetismoIndichiamo con V e B rispettivamente le bacchette di vetro e bachelite. Ripetendo queste esperienze con bacchette e panni di materiali diversi, si osservano i fatti se-guenti: le bacchette si dividono in due gruppi distinti: quelle che attirano V e respingono B; quelle che respingono V e attirano B; due bacchette dello stesso gruppo si respingono, mentre due bacchette di gruppi diversi si questi fatti si deduce cheesistono solo due tipi di due tipi di carica si attribuisce un segno: per convenzione la carica della bacchetta di vetro strofinata detta positiva, mentre quella della bacchetta di bachelite detta negativa.

5 Un corpo non elettrizzato detto quanto abbiamo visto deriva checorpi elettrizzati con cariche dello stesso segno si respingono, mentre corpi elet-trizzati con cariche di segno opposto si avviciniamo una bacchetta al panno con cui stata elettrizzata, notiamo che bac-chetta e panno si attraggono. Questo significa che hanno cariche di segno opposto. L elettroscopioPer procedere nello studio dei fenomeni di elettrizzazione necessario dotarsi di uno strumento per confrontare fra loro quantit di carica elettrica: l semplice elettroscopio formato da un recipiente di vetro, chiuso da un tappo di gomma attraverso il quale passa un asta di metallo.

6 L estremo inserito nel recipien-te termina con due sottilissime foglioline di alluminio, mentre quello all esterno formato da una sferetta RomeniMassimo RomeniAvvicinando alla sferetta un corpo elettrizzato le foglioline divergono, mentre ritor-nano in posizione verticale quando il corpo elettrizzato 13 ElettrostaticaL ampiezza dell angolo del quale divergono le foglioline una misura della quanti-t di carica elettrica presente nel corpo elettrizzato: due corpi elettrizzati che fanno divergere le foglioline dello stesso angolo hanno la stessa quantit di carica, anche se di segno diverso; pi grande l angolo tra le foglioline, maggiore la quantit di carica del un elettroscopio si verifica cheLa quantit di carica sulla bacchetta uguale alla quantit di carica sul panno con cui stata strofinata.

7 Il modello microscopicoOggi sappiamo che i fenomeni elettrici sono manifestazione delle propriet delle particelle elementari che costituiscono gli atomi: l elettrone, che ha una di massa 9,11 10 31 kg e una carica negativa indicata con il simbolo e; il protone, che ha una di massa 1,67 10 27 kg, circa 2000 volte maggiore di quella dell elettrone, e una carica positiva +e uguale a quella dell elettrone ma di segno complessa struttura degli atomi nota con grande precisione, ma per il momento sufficiente limitarsi a un modello estremamente semplificato, secondo il quale un atomo ha un diametro di circa 2 10 10 m; formato da un nucleo, circa 100 000 volte pi piccolo, in cui sono confinati i protoni; gli elettroni si muovono attorno al nucleo per effetto dell attrazione elettrica.

8 Neutro in quanto ha un numero di elettroni uguale al numero di protoni del modello atomico si assume il seguente fatto sperimentale, noto come quantiz-zazione della carica:la carica elettrica e dell elettrone (come quella del protone) l unit di carica fondamentale e non ulteriormente suddivisibile in cariche pi carica elettrica un multiplo di e o di +e, proprio come una somma di denaro sempre multipla dell unit pi piccola, il centesimo di euro. Non esistono quindi cariche di valore 0,2 e o 11,4 e. Nel Sistema Internazionale la carica si misura in coulomb (C). Il coulomb viene defnito in termini rigorosi nel capitolo 15: per il mo-mento ci limitiamo a riportare che l unit di carica elementare e = 1,6022 10 19 C La conservazione della carica elettricaDagli esperimenti emerge una propriet fondamentale della carica elettrica, nota come principio di conservazione della carica:in un sistema chiuso la somma algebrica delle cariche elettriche rimane altri termini.

9 Le singole cariche si possono trasferire all interno del sistema ma la carica totale non cambia, indipendentemente dai processi fisici che avvengono nel sfreghiamo tra loro un panno di lana e una bacchetta di plastica, la carica totale del sistema formato dai due corpi rimane costante: sui due corpi si accumula-no piccolissime quantit di carica uguali ma di segno Conduttori e isolantiI materiali mostrano differente attitudine a trasferire cariche con un panno di seta solo un estremo di una bacchetta di la parte strofinata con la seta elet-trizzata e attira i pezzetti di pezzetti di carta non attratti pezzetti di cartaattratti dall estremoLa carica accumulatasi in un estremo della bacchetta non si trasferisce all altro estre-mo, ma rimane quasi totalmente localizzata nella regione in cui avvenuto il contatto con il materiali (come la gomma, il vetro, la plastica.)

10 La ceramica) che manifestano questo comportamento sono detti isolanti sono materiali attraverso i quali la carica elettrica si trasferisce con estrema difficolt .Esistono materiali, invece, all interno dei quali la carica elettrica fluisce con facilit , come mostrano la sfera, l asta e le foglioline di metallo di un elettroscopio. + + + flusso di cariche negative + + + vetro + + + + + + + ++++vetro+++ ++++++Inizialmente i componenti metallici sono neutri. Quando la bacchetta di vetro elet-trizzata si avvicina, alcune cariche negative si spostano verso la sfera, lasciando un eccesso di carica positiva sulle foglie, che quindi si materiali come i metalli si dicono conduttori sono materiali attraverso i quali la carica elettrica si trasferisce con facilit.