Materiali conduttori (Davide Contini)
Trascrizione audio
Storicamente i materiali venivano suddivisi in due categorie, quelli elettrizzabili per
strofinio e quelli che invece non potevano essere elettrizzati in questo modo. In realtà
tutti i materiali possono essere elettrizzati strofinandoli con un panno di lana, solo che in
alcuni di essi la carica è talmente libera di muoversi che scappa via attraverso le mani
dello sperimentatore impedendo quindi di verificare l’avvenuta elettrizzazione per
strofinio. Questi materiali sono cosiddetti conduttori. I materiali conduttori presentano
cinque proprietà. La prima, la più importante è che per ogni atomo che compone il
materiale conduttore vi è almeno un elettrone libero di muoversi al suo interno. Quindi
per ogni atomo abbiamo un elettrone libero di muoversi. La seconda proprietà è che
all’interno di un conduttore in equilibrio quindi con le cariche ferme, il campo elettrico
all’interno del conduttore deve essere nullo perché altrimenti le cariche non sarebbero
ferme, perché se il campo fosse diverso da zero all’interno di un conduttore questi
elettroni liberi di muoversi si sposterebbero. La terza proprietà è che se vi è un eccesso
di carica sul conduttore, cioè se il conduttore è caricato in qualche modo, la carica in
eccesso si distribuirà sulla superficie esterna del conduttore stesso. Quindi ad esempio se
ho un conduttore di una forma qualsiasi in qualche modo lo elettrizzo ad esempio per
strofinio. Immaginiamo di aver aumentato il suo numero di cariche negative al suo interno,
queste andranno a distribuirsi solo e soltanto sulla superficie del conduttore esterno.
Questo è spiegabile andando ad osservare le prime due proprietà. Gli elettroni sono liberi
di muoversi all’interno del conduttore, quindi anche quelli che ho aggiunto in eccesso
saranno liberi di muoversi e quindi tenderanno ad allontanarsi il più possibile l’uno
dall’altro per la repulsione elettrostatica. Quindi l’unica possibilità è andarsi ad addensare
sulla superficie esterna del conduttore stesso. Possiamo spiegarla anche utilizzando la
proprietà due. Io voglio che all’interno del mio conduttore il campo sia sempre nullo e
quindi per il teorema di Gauss io non voglio descrivere all’interno del conduttore una
superficie chiusa in cui io possa racchiudere una carica. Quarta proprietà è che il
conduttore si trova tutto allo stesso potenziale, cioè tutti i punti che appartengono al
conduttore, quindi ogni punto che appartiene al conduttore è al medesimo potenziale dei
suoi vicini. Questa è figlia della proprietà due dei conduttori. Il fatto che il campo
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Introduzione alla Fisica Sperimentale: elettromagnetismo, ottica, fisica moderna - FIS102
all’interno del conduttore sia sempre nullo significa che una qualsiasi linea che unisce i
due punti a caso deve per forza avere lo stesso potenziale. La quinta proprietà del
conduttore, molto importante, è che i conduttori possono subire induzione elettrostatica.
Vediamo di spiegare cos’è l’induzione elettrostatica. Immaginiamo di prendere un
conduttore isolato, un conduttore composto da una matrice di cariche positive, i nuclei
degli atomi del cristallo del mio metallo e una marea di elettroni liberi di muoversi. Come
vi ricordate bene, almeno uno libero per ogni atomo. All’interno di un materiale
conduttore vi è un numero elevatissimo di atomi quindi avrò una marea di elettroni liberi
di muoversi. Immaginiamo adesso di aggiungere una carica elettrica esterna al mio
conduttore in maniera tale di aggiungere un campo elettrico esterno al mio conduttore,
ad esempio diretto in questo modo. Cosa accade al mio materiale, all’interno del mio
materiale? Beh, tutti gli elettroni che sono liberi di muoversi risentiranno di questo campo
esterno e si andranno quindi ad addensare alla mia sinistra. Questo perché il campo
all’interno del conduttore deve sempre rimanere nullo. Quindi cosa accade? Gli elettroni
si addensano lasciando scoperte delle cariche positive sul lato opposto. Questo significa
che all’interno del conduttore adesso vi è un campo dovuto alla reazione del conduttore
stesso che è uguale e contrario al campo esterno, in maniera tale che il campo all’interno
del conduttore rimanga comunque sempre nullo. Se vogliamo vederlo con un disegno,
questo è il mio conduttore, queste sono le cariche negative addensate a sinistra, queste
sono le cariche positive che sono rimaste scoperte a destra, vi è quindi un campo
chiamiamolo di reazione, un campo elettrico di reazione che è opposto al campo elettrico
esterno in maniera tale che il campo elettrico all’interno del mio conduttore sia zero,
come dice la proprietà due. Vediamo ora in pratica l’applicazione di queste proprietà
utilizzando l’elettroscopio a foglie. L’elettroscopio a foglie è un conduttore incastonato
in un’ampolla di vetro che termina con due lamine metalliche molto sottili e leggere.
Prendiamo ad esempio una penna di plastica e strofiniamola su una sciarpa di lana. Stiamo
aggiungendo delle cariche alla plastica. Quindi adesso l’avviciniamo al nostro
elettroscopio a foglie. Vedete le foglioline si allontanano. Le cariche che sono presenti
sulla penna, che io ho accumulato sulla penna, stanno richiamando cariche di segno
opposto sulla cima dell’elettroscopio a foglie, lasciando scoperte cariche dello stesso
segno sulle lamine e quindi per repulsione si allontaneranno l’una dall’altra. Se adesso io
tocco con la penna il conduttore e poi rilascio cessa l’induzione elettrostatica e quindi le
foglioline ritornano nella posizione di equilibrio. Le cariche che io ho accumulato sulla
penna non si sono trasferite al mio conduttore, dell’elettroscopio a foglie, perché sono
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intrappolate a rimanere nella penna. Se adesso noi consideriamo invece un materiale
conduttore che, come vi spiegavo prima, deve essere isolato dall’esperimentatore
altrimenti le cariche fruirebbero via senza darci la possibilità di effettuare l’esperimento,
io posso elettrizzare questo conduttore strofinandolo su un panno di lana. Lo
elettrizziamo. Ho quindi accumulato cariche sul conduttore. Lo avvicino all’elettroscopio
a foglie e vedete che ancora, per induzione elettrostatica come prima, le foglioline si
aprono. Se adesso io pongo in contatto i due conduttori e sposto il primo, vedete che le
foglioline rimangono aperte. Questo perché ho trasferito la carica in eccesso che avevo
accumulato sul primo conduttore sul secondo, grazie alla proprietà del fatto che le cariche
sono libere di fruire all’interno dei conduttori.
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