Le macchine elettrostatiche

Introduzione all’elettrostatica Per elettrostatica si intende quella branca della fisica che ha per oggetto i fenomeni elettrici generati da cariche in equilibrio. Alla base dell’elettrostatica stanno i concetti di carica elettrica e di campo elettrico: la presenza di un eccesso di cariche su un corpo genera un campo elettrostatico intorno ad esso che altera le proprietà dello spazio e agisce su altre cariche libere per mezzo della forza di Coulomb. Tipici fenomeni elettrostatici sono l’induzione dei materiali conduttori e la polarizzazione dei dielettrici.

L’induzione elettrostatica Il meccanismo che spiega il fenomeno dell’induzione elettrostatica è semplice: all’interno di un materiale conduttore esistono elettroni liberi di muoversi (elettroni di conduzione), normalmente responsabili della conduzione della corrente elettrica ; questi, sottoposti alla forza di Coulomb esercitata dalla carica elettrica del corpo inducente, vengono attirati o respinti, a seconda che tale carica sia positiva o negativa. Supponendo che sia positiva, gli elettroni della sferetta metallica tendono a portarsi sul lato rivolto verso la bacchetta, lasciando scoperta una parte delle cariche positive fisse del lato opposto della sferetta. Il risultato è che all’interno del corpo metallico che subisce l’induzione, le cariche elettriche, prima distribuite omogeneamente in modo da dare l’effetto complessivo di neutralità elettrica, si ridistribuiscono disomogeneamente, generando uno squilibrio. Il fenomeno dell’induzione elettrostatica, quindi, non viola il principio di conservazione della carica: non consiste infatti in una comparsa dal nulla di una carica elettrica prima inesistente, ma in una semplice ridistribuzione della carica esistente all’interno del corpo indotto. Una volta allontanati i due corpi, ammesso che non vi sia stato contatto tra i due, nel corpo indotto la carica si ridistribuisce equamente, e si ristabilisce la condizione di neutralità elettrica iniziale. Spiegazione del fenomeno dell’induzione elettrostatica

L’elettrizzazione di un corpo Esistono tre metodi per elettrizzare un corpo: mediante strofinio, per contatto con un corpo carico e per induzione. L’induzione è un fenomeno elettrostatico che consiste nell’elettrizzazione temporanea di un corpo inizialmente neutro, posto in vicinanza di un corpo carico. Nell’esempio, una barra dotata di carica elettrica negativa, avvicinata a una sferetta di materiale conduttore neutro, tende ad allontanare da sé le cariche negative della sferetta (perché cariche elettriche dello stesso segno si respingono). Se si collega a terra la sferetta, l’elettrizzazione può diventare permanente: le cariche negative ne defluiscono, mentre quelle positive rimangono su di essa, attratte dalla barra. La carica positiva della sferetta, quindi, non più bilanciata da un’uguale quantità di carica negativa, rimane scoperta e permane anche dopo l’allontanamento della barra. Elettrizzazione per induzione

L’elettroscopio Per chiarire ancora meglio il fenomeno dell’induzione elettrostatica utilizziamo un apparecchio che ci permette di misurare la carica elettrica di un corpo elettrizzato: l’elettroscopio In forma semplificata, l'elettroscopio è costituito da due leggerissimi conduttori metallici sospesi per mezzo di un sostegno in un involucro di vetro o di altro materiale isolante. I conduttori, che molto spesso sono due sottilissime lamine d'oro, sono collegati elettricamente a un terzo conduttore posto all'esterno dell'involucro; quando il conduttore esterno viene posto a contatto con un corpo carico, sulle due lamine interne si distribuisce una carica elettrica dello stesso segno e quindi queste si allontanano. Misurando la distanza indotta fra i due conduttori è possibile risalire alla quantità di carica portata dal corpo elettrizzato. Come funziona l’elettroscopio

Come funziona l’elettroscopio Per determinare lo stato elettrico di un corpo lo si può mettere in contatto con il pomello (d) di un elettroscopio. Se nel corpo sono presenti delle cariche in eccesso, fluiscono automaticamente attraverso il supporto metallico (b) fino a distribuirsi tra le foglioline (a) e (a_), pure metalliche. Queste, essendosi caricate entrambe dello stesso segno, si allontanano l'una dall'altra in misura proporzionale all'intensità della carica. Il tutto è protetto da un contenitore di vetro (c). Schemi di un elettroscopio

L’elettroforo di Volta Un’altra macchina ad induzione molto famosa è l’elettroforo di Volta Esso è costituito da due dischi, l’uno di materiale isolante (schiacciata), l’altro metallico (scudo), munito di manico isolante (fig.a). Dopo aver elettrizzato la schiacciata per strofinio (negativamente), si può elettrizzare ripetutamente lo scudo collegandolo momentaneamente alla terra mentre funziona da indotto (fig.b): su di esso resta solo elettricità di segno opposto a quello della schiacciata. Sollevato lo scudo elettrizzato (fig.c), lo si può usare per caricare altri conduttori. Dopo averlo scaricato, si può ripetere l’operazione riappoggiandolo sulla schiacciata rimasta elettrizzata. Le varie fasi del funzionamento dell’elettroforo di Volta

Il pendolino elettrico Al posto dell’elettroforo di Volta si può usare un rivelatore meno sensibile dello stato elettrico: il pendolino elettrico. Una pallina di carta stagnola sospesa a un filo costituisce un pendolino elettrico. Avvicinando una bacchetta di vetro elettrizzata per strofinio (vedi fig.a), la pallina viene dapprima attratta, poi decisamente respinta appena ha toccato il vetro: col contatto, essa ha ricevuto una parte della carica elettrica del vetro. Un secondo pendolino (vedi fig.b) si comporta allo stesso modo, ma con una bacchetta di ebanite elettrizzata: dopo il contatto ancora repulsione. Avvicinati tra loro i due pendolini precedentemente elettrizzati manifestano reciproca attrazione (fig.c). Come si comporta il pendolino elettrico quando si avvicinano bacchette di vetro e di ebanite

Cosa dimostra l’esperienza ? L’esperienza, ripetuta usando bacchette di altri tipi di materiale strofinate dimostra che: Esistono due tipi di elettricità: quella che si desta nel vetro, o nei corpi come il vetro che viene chiamata “vitrea” o elettricità positiva, e quella che si desta nell’ebanite, o nei corpi che si comportano come l’ebanite che viene chiamata “resinosa” o elettricità negativa. Cariche dello stesso segno si respingono e cariche dello stesso tipo si attraggono. La forza di attrazione o repulsione diminuisce rapidamente con la distanza che separa i corpi interagenti. Esistono materiali che hanno cariche elettriche capaci di spostarsi da un punto all’altro del corpo ( conduttori ) e materiali in cui le cariche rimangono localizzate nella regione dove è avvenuto lo strofinio ( isolanti o dielettrici ) .

La macchina di Wimshurst Uno degli strumenti che ci permette ancor meglio di capire il fenomeno dell’induzione elettrostatica è la macchina di Wimshurst. Con tale dispositivo, inventato nel 1882 in Inghilterra dall’omonimo scienziato, si è in grado di produrre delle scintille tra due elettrodi costituiti da bacchette o da sfere collegati a due armature di un condensatore. La macchina di Wimshurst

Com’è costituita la macchina di Wimshurst ? La macchina è costituita da due dischi di plexiglass che ruotano in senso inverso l’uno rispetto all’altro Sulle superfici esterne dei dischi, sono presenti una serie di settori metallici sottili di forma rettangolare in numero pari per ciascuna delle due ruote in modo da avere i cosiddetti settori opposti, indispensabili per il funzionamento della macchina. Su dei supporti sono poste delle spazzole che vengono collegate elettricamente a dei condensatori ( Bottiglie di Leyda ). Esse provocheranno, per strofinio con i settori metallici, il caricamento dei due dischi. Due sfere, collegate ai condensatori, possono essere avvicinate tra loro fino a generare una scarica. Schema di funzionamento della macchina di Wimshurst

La struttura della macchina di Wimshurst Settori metallici Sfere collegate ai condensatori Dischi Spazzole dai crini metallici Pulegge Condensatori o bottiglie di Leyda

Esperienze con la macchina di Wimshurst Per l’esperienza utilizziamo un recipiente avente ai lati due elettrodi a punta, al cui interno è inserito dell’olio e del semolino. Se colleghiamo i due elettrodi ai due diversi poli della macchina, azionando quest’ultima vedremo che nel recipiente si verranno a formare delle linee di forza convergenti tra i due elettrodi Se invece colleghiamo i due elettrodi ad un solo polo ci accorgiamo che le linee di forza che si verranno a formare saranno diverse rispetto al primo caso, perché esse divergono Se posizioniamo un anellino all’interno del recipiente e azioniamo la macchina, ci accorgiamo che all’interno di esso il semolino non subisce alcuna modifica. L’anello quindi costituisce uno schermo elettrostatico. Se al posto di due elettrodi a punta inseriamo un doppio strato elettrico, il campo elettrico sarà uniforme in ogni punto. Azionando la macchina le linee di forza che si verranno a formare andranno da un elettrodo all’altro.

Cosa sono le linee di forza ? Le linee di forza sono quelle linee la cui tangente in ogni punto ha la stessa direzione del campo elettrostatico in quel punto. Nel primo caso le linee di forza che si verranno a formare saranno come quelle in figura 1. Il sistema costituito dalle cariche opposte prenderà il nome di dipolo elettrico. Le linee di forza che escono dalla carica positiva sono in uguale numero a quelle che entrano nella carica negativa. Nel secondo caso le linee di forza che si verranno a formare saranno come quelle in figura 2. Tra due cariche uguali, infatti, le linee che si verranno a formare divergono. Linee di forza generate da due cariche opposte Linee di forza generate da due cariche uguali

La gabbia di Faraday Un’altra macchina elettrostatica è la gabbia di Faraday. Essa è un esempio di schermo elettrostatico ed è realizzata mediante una rete metallica a maglie molto fitte (chiusa a formare una sorta di gabbia). All'interno di questa non vi sono effetti dovuti a campi elettrostatici esterni né al caricamento della gabbia stessa.  La verifica può essere fatta posizionando all'interno della gabbia un elettroscopio. La gabbia viene caricata da un generatore elettrostatico mentre l'elettroscopio all'interno non rivela alcuna presenza di cariche. E' possibile, inoltre, utilizzare un secondo elettroscopio collegato elettricamente all'esterno della gabbia per rivelarne la carica. Un esempio di gabbia di Faraday

Il generatore di Van Der Graaf La più moderna tra le macchine elettrostatiche è il generatore di Van der Graaf. Il tipo più semplice è formato da una grande sfera metallica cava isolata, che riceve in modo continuo cariche elettriche introdotte in essa da un nastro di materiale isolante, teso tra due pulegge rotanti in senso concorde; tale nastro viene elettrizzato a “effluvio”, cioè applicando il potere delle punte da un generatore ausiliario esterno e cede alla sfera cava le cariche trasportate tramite un pettine metallico, che insieme con la sfera si comporta da indotto a punta. Il generatore di Van Der Graaf