ELETTROSTATICA
STRUTTURA DELL’ATOMO
Democrito, IV sec. a.C., deduce l'esistenza di atomi (atomòs = indivisibile) da un processo logico e
puramente teorico attraverso il quale comprende che scomponendo la materia in parti sempre più
piccole non si può che arrivare a dei costituenti fondamentali e indivisibili.
Lo studioso inglese J.Dalton (1766-1844) all'inizio del XIX secolo dichiarò che la materia non é
continua, ma é composta da particelle che non possono essere ulteriormente divisibili né
trasformabili, gli atomi.
La palla da biliardo
1803
Nel modello atomico formulato nel 1898, da J.J.Thomson, si ammetteva che l'atomo, piuttosto che
la sferetta solida e compatta ipotizzata da Dalton, fosse costituito da una sfera omogenea carica di
elettricitá positiva in cui gli elettroni erano distribuiti in maniera uniforme e senza una disposizione
spaziale particolare.
Panettone con l’uvetta
Il nome "a panettone" deriva dal fatto che le cariche negative sono inserite all'interno della
distribuzione di carica positiva come i canditi in un panettone
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Rutherford nel 1911 fece un esperimento in cui bombardò un foglio d'oro molto sottile con particelle alfa e
dedusse che l'atomo è in gran parte vuoto. Allora propose il modello planetario, in cui gli elettroni ruotano
attorno al nucleo a gran distanza da esso. L'atomo è così in gra parte vuoto.
Il nuovo modello proposto da Rutherford aveva delle caratteristiche che sono rimaste anche in
modelli successivi come la concentrazione della maggioranza della materia in un volume
relativamente piccolo rispetto alle dimensioni atomiche (ossia un nucleo atomico) e la presenza di
elettroni rotanti intorno ad esso, come i pianeti del sistema solare attorno al sole.
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DUE STATI ELETTRICI DIFFERENTI
Si consideri il seguente esperimento: si avvicini al pendolino una bacchetta di sostanza resinosa
dopo averla strofinata con un panno di lana. Si noterà che il pendolino viene attratto dalla bacchetta
per induzione.
Se il pendolino viene a contatto con la bacchetta, esso si elettrizza e viene respinto dalla stessa
bacchetta di sostanza resinosa. Se si avvicina poi ad esso una bacchetta di vetro liscio elettrizzata
per strofinio con un panno di lana, si osserva che il pendolino respinto dalla bacchetta di sostanza
resinosa viene invece attratto dalla bacchetta di vetro. Reciprocamente se si elettrizza per contatto il
pendolino con la bacchetta di vetro strofinata con un panno di lana si vede che esso viene respinto
da essa mentre viene attratto dalla bacchetta di sostanza resinosa elettrizzata con la lana.
Ne consegue che l’elettricità che si manifesta sulla bacchetta di vetro liscio strofinata con la
lana e l’elettricità che si manifesta sulla bacchetta resinosa anch’essa strofinata con la lana
non presentano un identico comportamento. Se si hanno due pendolini elettrizzati l’uno con
l’elettricità del vetro e l’altro con l’elettricità della sostanza resinosa si può verificare che preso un
corpo elettrizzato qualsiasi ed in qualunque modo esso attrae uno dei due pendolini e respinge
l’altro: non esiste nessun corpo che, presentando proprietà elettriche, respinga tutti e due i pendolini
o li attragga entrambi.
Uno scienziato osservò questo fenomeno nel 1733, e per distinguere i due stati elettrici chiamò
elettricità resinosa quella che si manifestava sulle sostanze resinose strofinate con lana ed
elettricità vitrea quella che si manifestava sul vetro pure strofinato con lana. In realtà questi nomi si
dimostrarono inappropriati in quanto essi lasciavano intendere che il particolare tipo di elettricità
che su essi si svolgeva fosse una proprietà della sostanza, si verificò ben presto che il tipo di
elettricità manifestato da una particolare sostanza dipende anche dalla natura dell’oggetto che si
utilizza per elettrizzarla e dalla stato della sua superficie, ad esempio mentre il vetro liscio strofinato
con lana manifesta elettricità vitrea, il vetro smerigliato pure strofinato con lana acquista elettricità
resinosa. Si sono, pertanto abbandonate queste due definizioni e se ne sono adottate altre che meglio
rispondessero alla natura stessa dei fenomeni: si è convenuto di chiamare elettricità positiva quella
che si manifesta sul vetro liscio strofinato con lana ed elettricità negativa quella che si manifesta
nelle resine pure strofinate con lana.
ELETTRIZZAZIONE PER INDUZIONE E PER CONTATTO
PENDOLINO ELETTRICO
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Il fenomeno dell’induzione elettrostatica è una diretta conseguenza della mobilità delle cariche
elettriche propria di un materiale conduttore. Se un corpo elettrizzato positivamente viene
avvicinato ad un corpo neutro, le gli elettroni si portano nella zona del conduttore più prossima al
corpo induttore (questa zona si carica cioè negativamente) lasciando così sguarnita la zona più
lontana che assume pertanto carica positiva.
Questo fenomeno può essere verificato con il pendolino elettrico. Avvicinando un corpo elettrizzato
alla sferetta elettricamente neutra del pendolino si può verificare il manifestarsi di una vivace
attrazione.
Se però la sferetta viene a contatto con il corpo induttore si nota un’altrettanto vivace repulsione.
Anche questo fenomeno è dovuto alla mobilità delle cariche elettriche di un corpo conduttore,
infatti al momento del contatto tra la sferetta ed il corpo, parte delle cariche dell’induttore vanno a
neutralizzare le cariche di segno opposto della sferetta la quale rimane così elettrizzata dello stesso
segno del corpo e pertanto viene da esso respinta.
DOPPIO PENDOLINO ELETTRICO
Si strofini un’asticciola di resina o di vetro o di
ceralacca, essa attirerà le palline del “doppio
pendolino” che successivamente per effetto induttivo
si allontaneranno l’una dall’altra.
ELETTROSCOPIO A FOGLIE D’ORO
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Al posto del pendolino si può usare un rivelatore più sensibile dello stato elettrico:
l’elettroscopio a foglie. Esso è formato da due sottilissime strisce d’oro (le foglie) sospese ad
una asticella metallica, terminante con una sferetta (pomo dell’elettroscopio). Un elettroscopio
si elettrizza sia per contatto diretto col corpo elettrizzato che per induzione. Nel primo caso
(fig.3c) il corpo elettrizzato A cede una parte della propria carica: le foglie divergono, e restano
divergenti anche allontanando A. Per farle “ricadere”, basta “scaricare” l’elettroscopio,
toccandone il pomo con la mano. Nel secondo caso (fig3d) le foglie ricadono appena si
allontana A.
Gli elettroscopi sono quindi strumenti che permettono di riconoscere se un corpo è carico
elettricamente. In laboratorio abbiamo usato due elettroscopi:
il pendolino elettrico
l’elettroscopio a foglie d’oro
CARICHE IN ECCESSO SU UN CONDUTTORE
Le cariche in eccesso su un conduttore, sia positive che negative, si dispongono sempre sulla
superficie esterna del conduttore (anche nel caso in cui nel conduttore siano prese nti delle cavità
interne)
ESPERIMENTO: EMISFERI DI CAVENDISH
Una sfera metallica elettrizzata ed isolata, viene racchiusa con due emisferi metallici muniti di
manici isolanti. Togliendo i due emisferi ed avvicinando alla sfera un elettroscopio, si nota che
questa è scarica, mentre i due emisferi sono elettrizzati.
Questo esperimento dimostra che la carica si distribuisce esclusivamente sulla superficie esterna del
Conduttore.
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GABBIA DI FARADAY
http://www.primopianoitalia.tv/2011/06/29/capelli-elettrizzati-e-gabbia-di-faraday-il-video-mostraun-classico-argomento-di-elettrostatica-la-distribuzione-delle-cariche-elettriche-sui-conduttori/
Qualsiasi contenitore di materiale conduttore può essere considerato "Gabbia di Faraday".
Il campo elettrico interno è nullo nei conduttori e questo comporta che qualsiasi oggetto interno
non sente gli effetti del campo elettrico esterno. Questo principio fa sì - ad esempio - che in caso di
temporale il miglior riparo dai fulmini sia l'interno di un auto che, se anche fosse colpita da un
fulmine, non comporterebbe danni per i suoi occupanti.
POTERE DISPERSIVO DELLE PUNTE
Se un conduttore presenta punte più o meno acuminate oppure spigoli taglienti, le cariche elettriche
in tali zone si addensano così intensamente che la loro mutua repulsione le sollecita verso l’esterno
e a sfuggire dal conduttore ionizzando le più vicine molecole dell’aria. Tali ioni gassosi,
respingendosi tra loro, danno origine a una specie di soffio (detto vento elettrico), col quale il
conduttore disperde la propria carica nell’aria che lo circonda e che dovrebbe isolarlo, scaricandosi.
Il fenomeno, causato dalle parti appuntite, è noto come potere delle punte.
1- Esperimento della punta elettrizzata e della candela accesa
2- Il mulinello elettrico
IL MULINELLO ELETTRICO
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Collegando il conduttore ad una macchina elettrostatica, il mulinello inizia a ruotare perché l’alto
potenziale delle punte ionizza parzialmente l’aria. Il movimento rotatorio è quindi provocato dalla
repulsione tra gli ioni dell’aria e le cariche sulle punte.
Il parafulmine sfrutta il principio del "potere dispersivo”delle punte"
MACCHINA DI WIMSHURST E BOTTIGLIA DI LEIDA
http://www.primopianoitalia.tv/2011/08/04/macchina-di-wimshurst-e-bottiglia-di-leida-il-videopresenta-la-macchina-di-wimshurst/
BOTTIGLIA DI
LEIDA
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La bottiglia di Leida costituisce la forma più antica di condensatore. Fu utilizzata per condurre molti
dei primi esperimenti sull'elettricità durante la seconda metà del XVIII secolo.
Una bottiglia di Leida consiste tipicamente in un contenitore di vetro (per esempio una bottiglia)
coperto da un rivestimento metallico all'interno e da un altro simile dalla parte esterna (le armature).
Il rivestimento interno è collegato all'elettrodo di un generatore elettrostatico attraverso un
conduttore, mentre il vetro funge da dielettrico.
La bottiglia si carica mediante una macchina elettrostatica; per esempio, si pone un'armatura a
contatto con un polo della macchina a l'altra si collega a terra attraverso la nostra mano.
Per scaricare la bottiglia di Leida si usa un dispositivo costituito da due aste conduttrici articolate a
V, terminanti da una parte con due sferette e dall'altra con dei manici isolanti.
Mettendo in contatto una sferetta con l'armatura esterna e l'altra con il bottone della bottiglia, tra le
sferette scocca una scintilla.
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