Cariche in equilibrio
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Elettrostatica dal greco electron , ambra e l e k t r o n Elettrizzazione per strofinio • Strofinando una bacchetta di –ambra –ebanite –plastica –vetro –plexigas –… • con –panno di lana –foulard di seta –pelliccia di gatto –… La bacchetta diventa in grado di attrarre piccoli oggetti (pezzetti di carta, piccoli semi, paglia..) I corpi elettrizzati esercitano forze su corpi non elettrizzati 2 Forze fra corpi elettrizzati • Bacchette di vetro elettrizzata per strofinio con lana o seta • Bacchette di plastica elettrizzata per strofinio con seta o lana vetro/vetro si respingono plastica /plastica si respingono vetro/ plastica si attraggono 3 Elettricità positiva e negativa Si definiscono • cariche positivamente le sostanze che si comportano come il vetro, es.: plexiglas • cariche negativamente quelle che si comportano come l’ ebanite, es.: plastica, pvc, resine Due corpi elettricamente carichi si respingono se le cariche da essi possedute sono dello stesso tipo (entrambe positive o entrambe negative), si attraggono se sono di tipo diverso +++++ ––––– +++++ +++++ 4 L’elettrone Scoperta dell’elettrone da parte di J. J. Thomson (1897). Modello dell’atomo “a panettone” Rutherford (1911). Modello dell’atomo “planetario” Millikan (1909). “Quantizzazione” della carica elettrica: tutte le cariche sono multiplo di una carica elementare 5 Corpi elettricamente neutri • Scoperte dell’elettrone e modelli atomici • Ogni atomo è composto da cariche positive e cariche negative che si neutralizzano a vicenda • I corpi elettricamente neutri non sono privi di cariche, ma contengono un ugual numero di cariche positive e negative 6 Corpi elettricamente carichi • I corpi elettricamente carichi contengono un eccesso di di cariche positive o negative Elettroni in eccesso corpo carico negativamente Mancanza di elettroni corpo carico positivamente 7 Pendolino elettrico • Pendolo costituito da pallina di polistirolo appesa a filo seta o nylon. • Avvicinando alla pallina una bacchetta di plastica precedentemente elettrizzata, si osserva che la pallina si muove. • Se appendo due palline, e le elettrizzo, posso verificare che si allontanano. 8 Conduttori e isolanti Conduttori (metalli…): la pallina non si muove. Sono i materiali che permettono alle cariche elettriche di fluire via Isolanti (plastica, vetro…): la pallina viene attratta dalla bacchetta. Sono i materiali nei quali la carica non si può muovere. Semiconduttori: hanno proprietà intermedie La diversità fra conduttori, isolanti e semiconduttori ha origine nella struttura di questi materiali a livello microscopico. 9 Conduttori Conduttori solidi La conduzione è determinata da particelle portatrici di carica negativa (elettroni) che sono libere di muoversi nel materiale. Conduttori liquidi e gassosi La conduzione è resa possibile da ioni positivi o negativi 10 Elettrizzazione per contatto I conduttori possono essere elettrizzati anche mettendoli a contatto con un corpo elettricamente carico. Metodo: Conduttore con manico isolante, elettrizzato per strofinio. Se un altro conduttore isolato da terra viene messo a contatto con il primo conduttore, la carica si divide fra i due. La presenza di carica può essere messa in luce tramite un elettroscopio a foglie 11 Elettroscopio a foglie È costituito da una bottiglia di vetro, con tappo isolante, nel quale è presente un foro, attraverso il quale passa un’asta verticale conduttrice che porta, in fondo, due sottilissime foglie d’oro. Toccando con un corpo carico l’estremità uscente dell’asta, si osserva che le foglie si separano, perché si elettrizzano per contatto con cariche del medesimo segno fra le quali si esercitano forze repulsive L’elettroscopio a foglie, se dotato di una scala graduata per misurare la separazione delle foglie, permette di dare una definizione operativa di carica elettrica 12 Unità di misura della carica elettrica • L’unità di misura della carica elettrica è il Coulomb ( C ). • Il Coulomb è una grandezza derivata, definita tramite l’ampere. • Due punti materiali hanno una carica di 1 C ciascuno se, posti alla distanza di un metro, si respingono con una forza pari a 9 109 N • 1 C è una carica molto grande • Carica elettrone: - e = -1,6 10-19 C 13 Conservazione della carica elettrica La carica totale (somma algebrica delle cariche elettriche) di un sistema isolato si conserva, qualunque siano i fenomeni che si verificano al suo interno. Esempio • Elettrizzazione per strofinio: la bacchetta si carica positivamente (o negativamente), quanto il panno si carica negativamente (o positivamente). 14 Bilancia di torsione • Bilancia appesa a un filo, con una pallina conduttrice e un contrappeso. Altra pallina conduttrice fissa. • Misurando di quanto ruota il manubrio su una scala graduata (misura di ), si risale all’intensità della forza. 15 Legge di Coulomb F k qQ r 2 Con : k = 9 109 N m2 / C2 L’intensità della forza per cariche puntiformi vale: La direzione della forza è quella della congiungente le due cariche Il verso è attrattivo se le cariche hanno segno opposto Il verso è repulsivo se le cariche hanno lo stesso segno 16 Legge Coulomb Vs. legge gravitazione F k qQ r • • • • • • k costante naturale Forza a distanza Intensità inversamente proporzionale a quadrato della distanza Può essere sia attrattiva che repulsiva Agisce solo fra corpi dotati di carica elettrica Cambia al variare del mezzo in cui sono poste le cariche • k = 8,99 10 9 “grande” FG 2 m1 m 2 r • • • • • • 2 G costante naturale Forza a distanza Intensità inversamente proporzionale a quadrato della distanza È solamente attrattiva Agisce solo fra tutti i corpi Non cambia al variare del mezzo in cui sono poste le masse • G = 6,67 10-11 “piccolo” 17 Forza di Coulomb nella materia La legge di Coulomb vale nel vuoto Ripetendo l’esperimento in un mezzo isolante, troveremo una forza che è minore di quella misurata nel vuoto. Il rapporto fra la forza Fvuoto nel vuoto e la forza Fmezzo in un mezzo, è una costante indipendente dalle cariche che dipende solo dal materiale e si chiama costante dielettrica relativa: e er r 1 sempre (vale 1 solo nel vuoto) Fvuoto Fmezzo 18 ε cost. diel. assoluta (nel vuoto) o ε cost. diel. relativa d' una sostanza (isolante) r 1 9 k 9 10 4e0 1 e0 8,86 10 12 4k F0 er Fsost. qQ 1 qQ 1 qQ F0 k 2 2 ; Fsost 2 r 4eo r 4eoe r r 19 COSTANTE DIELETTRICA εr SOSTANZA acqua dist. alcool mica vetro porcellana gomma plexiglass ambra silicone polistirolo petrolio ebanite aria, gas vuoto 80,0 25,0 8,0 7,0 5,3 4,0 3,4 2,8 2,8 2,5 2,1 2,0 1,00060 1,00000 20 Piatto metallico sorretto da manico isolante e appoggiato su supporto isolante. •Il supporto viene elettrizzato per strofinio •L’elettroforo viene posto sopra il piatto isolante e si elettrizza per conduzione. •Si tocca l’elettroforo in modo che la carica posta sulla faccia superiore viene trascinata via; togliendo il piatto, questo rimane carico. Elettroforo di Volta 21 Modalità di elettrizzazione Metodo Descrizione Meccanismo Materiali Strofinio Strofinare fra loro due corpi Si strappano gli elettroni presenti sulla superficie dei corpi Isolanti o conduttori (con manico isolante) Contatto Mettere a contatto un corpo neutro con uno carico Spostamento di cariche da un corpo all’altro Conduttori Induzione Mettere corpo carico vicino a conduttore scarico divisibile in due. Dividendo in due il conduttore prima di allontanare l’induttore ho suddiviso la carica Le cariche sul conduttore subiscono al forza elettrica e si redistribuiscono. conduttori 22
