la carica e la forza elettrica - Matematica e

I.P.C.L. “Ninni Cassarà” (Sezione di Terrasini) \ Classe V A \ Elettrizzazione, Forza di Coulomb
LA CARICA E LA FORZA ELETTRICA
Prof. Erasmo Modica
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FENOMENI DI ELETTRIZZAZIONE
Il termine elettricità deriva dalla parola greca élektron (= ambra) perché pare che un pastore
ellenico, mentre cercava di pulire una bacchetta di ambra strofinandola contro il pelo di una delle
sue pecore, abbia notato la proprietà di tale bacchetta di attirare a se dei pezzetti di legno.
In natura esistono due tipologie di carica elettrica, classificate da Benjamin Franklin (1706-1790)
come carica elettrica positiva e carica elettrica negativa. Inoltre, sappiamo che le cariche dello
stesso segno si respingono e quelle di segno opposto si attraggono.
Struttura dell’atomo
Anche i corpi elettricamente neutri contengono cariche elettriche
positive e negative che hanno la stessa quantità di carica: le prime
vengono dette protoni, le seconde elettroni.
I protoni e i neutroni (particelle prive di carica elettrica) sono
contenuti all’interno del nucleo atomico, mentre gli elettroni
orbitano intorno ad esso. L’atomo si presenta elettricamente neutro,
in quanto possiedono lo stesso numero di protoni e di elettroni. Esso
quando perde elettroni si carica positivamente e prende il nome di
ione positivo, se acquista elettroni si carica negativamente e viene
detto ione negativo.
L’elettrizzazione di un corpo è un fenomeno fisico per cui si ha una sovrabbondanza di cariche di
uno stesso segno nel corpo precedentemente neutro ed è associata ad un trasferimento di
elettroni da un corpo ad un altro.
Principio di conservazione della carica elettrica
Fu formulato nel 1750 da Franklin e afferma che: la carica elettrica di un sistema chiuso,
somma algebrica delle cariche elettriche positive e negative, non si crea né si
distrugge.
Elettrizzazione per strofinio
Se sospendiamo mediante un filo di nylon una bacchetta di vetro e la strofiniamo con un panno di
lana, avvicinando ad essa un’altra bacchetta di vetro notiamo che si genera una forza di tipo
repulsivo; se, invece, avviciniamo una bacchetta di ebanite1, notiamo una forza di tipo attrattivo.
E' possibile elettrizzare per strofinio tutti i materiali, purché essi siano tenuti su supporti isolanti.
La scoperta del fenomeno di elettrizzazione per strofinio è dovuta al filosofo greco Talete di
Mileto, il quale era a conoscenza (già nel VI secolo a.C.) anche del fatto che un minerale, la
magnetite, era capace di attrarre il ferro ordinario. Lo studio dell’elettricità ebbe comunque inizio
nel Rinascimento.
1
L’ebanite è una sostanza ottenuta come miscela di gomma naturale, zolfo e sostanza organiche. È conosciuta come gomma dura.
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Interazione vetro-vetro
Interazione vetro-ebanite
Conduttori e isolanti
Se strofiniamo una chiave con un panno di lana tenendola a mani nude, essa non sarà in grado di
attrarre dei pezzettini di carta. Se, invece, strofiniamo la chiave tenendola con un guanto di
gomma, essa sarà capace di attrarre dei pezzettini di carta. Tale fatto è dovuto alla presenza in
natura di due grandi categorie di materiali che hanno un comportamento elettrico differente.
Materiale
Definizione
Struttura atomica
Sono caratterizzati dalla presenza di elettroni
liberi (detti elettroni di conduzione) di saltare da
un atomo all’altro. Ciò dipende dal fatto che, nei
legami metallici, gli elettroni degli ultimi livelli
non sono ben legati agli atomi di appartenenza,
quindi si spostano con più facilità da un atomo
all’altro.
Conduttore
Materiale che permette lo
scorrimento al suo interno
della carica elettrica. Sono
esempi di conduttori l’oro, e
l’argento.
Isolante (o
dielettrico)
Materiale in cui la carica
Sono caratterizzati dalla presenza di elettroni ben
elettrica non scorre facilmente.
legati ai rispettivi nuclei, che occupano delle
Sono esempi di isolanti la
posizioni fisse e, quindi, non possono spostarsi.
plastica e la gomma.
Elettrizzazione per contatto
Se si mette a contatto un corpo elettrizzato, per esempio negativamente, con un
corpo neutro, parte degli elettroni del corpo elettrizzato vengono trasferiti al
corpo neutro che, di conseguenza, si carica negativamente. L’effetto finale che si
noterà è quello di repulsione tra i due corpi.
Elettroscopio
È un semplice dispositivo atto a rivelare lo stato di
elettrizzazione dei corpi, esso è costituito da una bacchetta
metallica terminante all’estremità superiore con una sferetta
e all’estremità inferiore con due foglioline molto leggere,
generalmente di oro. La carica elettrica, trasmessa per
contatto da un corpo elettrizzato alla sferetta fa divergere le
foglioline.
Se si avvicina un altro corpo dotato della stessa carica, le
foglioline divergono ancora di più; mentre se si avvicina un
corpo di carica opposta, le foglioline di chiudono.
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Elettrizzazione per induzione elettrostatica
Si definisce induzione elettrostatica il fenomeno di ridistribuzione della carica elettrica in un
conduttore per effetto della vicinanza di un corpo carico.
Osservazione: Si noti che l’induzione è un fenomeno che riguarda i corpi conduttori!
Quando si avvicina un corpo carico, per esempio, negativamente (inducente) a un conduttore
(indotto) allo stato neutro, quest’ultimo si carica di segno opposto nella parte più vicina
all’inducente e dello stesso segno nella parte più lontana. L’indotto torna allo stato neutro con
l’allontanamento dell’inducente.
Se tocchiamo con un dito il conduttore, il corpo umano, essendo anch’esso conduttore, fa sì che le
cariche negative vengano scaricate a terra e il conduttore rimarrà carico positivamente.
Polarizzazione degli isolanti
Si definisce polarizzazione il fenomeno di ridistribuzione della carica elettrica in un isolante per
effetto della vicinanza di un corpo carico.
Esistono due tipologie di polarizzazione: la polarizzazione per deformazione e la polarizzazione per
orientamento.
Tipo di polarizzazione
Per deformazione
Per orientamento
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Spiegazione
Se si avvicina una bacchetta carica
positivamente ad un isolante, si
nota che essa attrae a sé gli elettroni
dell’isolante senza strapparli ad
esso. L’effetto macroscopico che si
nota è una deformazione e un
orientamento
delle
molecole.
L’isolante rimane neutro, ma tutti
gli atomi sono orientati in modo da
avere le cariche negative rivolte
verso il corpo, mentre le positive
dalla parte opposta.
Se si avvicina un corpo carico
positivamente C ad un isolante
costituito da molecole polari
(alcool, acqua, etc.), esso comporta
un orientamento delle molecole che
si dispongono in modo da rivolgere
la parte negativa verso C e quella
negativa dalla parte opposta.
Rappresentazione
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LA LEGGE DI COULOMB
Il fisico francese Charles Augustin de Coulomb (1736-1806) nel 1777 inventò
uno strumento, detto bilancia di torsione, costituito da una bacchetta sospesa
mediante un filo. Alle estremità di tale bacchetta sono posizionati una sferetta
carica e un’altra sferetta che fa da contrappeso. Quando si avvicina alla sfera
carica un altro corpo carico dello stesso tipo, si assiste ad una torsione della
bacchetta. Coulomb notò che tale torsione era maggiore all’aumentare
dell’intensità delle cariche che interagivano; mentre era minore all’aumentare
della distanza tra i corpi carichi. Dopo aver effettuato tantissimi esperimenti,
Coulomb pervenne all’espressione matematica della sua legge di attrazione o
repulsione di due cariche elettriche, nota come legge di Coulomb:
l’intensità della forza elettrica con cui si attraggono o si respingono due cariche
elettriche poste nel vuoto è direttamente proporzionale al prodotto delle cariche e
inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza
𝑞1 𝑞2
𝑟2
in cui 𝑞1 e 𝑞2 sono due cariche puntiformi poste a distanza 𝑟 tra loro e 𝑘 una costante che nel vuoto
𝐹0 = 𝑘 ∙
assume il valore 9 ∙ 109
𝑁∙𝑚 2
𝐶2
nel sistema SI in cui le cariche si misurano in coulomb (C).
Principio di sovrapposizione: La forza elettrica con la quale due corpi interagiscono è la
risultante delle forze che le particelle dell’uno esercitano sulle particelle dell’altro, calcolata col
metodo del parallelogramma.
La legge di Coulomb nel mezzo
Se due cariche elettriche si trovano immerse in un mezzo isolante, l’intensità della forza di
Coulomb risulta ridotta di un fattore  r – costante dielettrica relativa – che è definito come
rapporto dell’intensità della forza d’interazione di due cariche poste nel vuoto 𝐹0 e l’intensità della
forza d’interazione fra le stesse due cariche poste alla stessa distanza nel mezzo considerato, in
formule:
𝜀𝑟 =
𝐹0
𝐹
La legge di Coulomb diventa quindi:
𝐹=
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𝑘 𝑞1 𝑞2
∙
𝜀𝑟 𝑟 2