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LAB2GO Scienza

Bacchetta di vetro, bacchetta di ebanite ed elettroscopio a foglie

Elettrizzazione per strofinio e induzione

Elettrizzazione per strofinio, triboelettricità

Vi sono sostanze (come l'ambra, il vetro, l'ebanite, alcuni tipi di “plastiche”, il plexiglas e la ceralacca) che possono venire elettrizzate per strofinio - per esempio, con un panno di lana o di seta - e acquistano la capacità di attrarre corpi neutri (si verifica infatti una specie di effetto marea fra le cariche indotte nel corpo neutro).
Se strofiniamo due bacchette di vetro con un panno di lana e le avviciniamo tra loro, tenderanno a respingersi. Lo stesso accade se strofiniamo due bacchette di ebanite con un panno di lana e le avviciniamo.

Immagine elaborata da FP
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Se invece strofiniamo una bacchetta di vetro e una di ebanite, queste tenderanno ad attrarsi.

Immagine elaborata da FP

I numerosi esperimenti svolti nei secoli hanno mostrato che esistono due e solo due tipi di carica elettrica. Potremmo chiamarli ad esempio carica vetrosa V e resinosa R. Infatti molti scienziati del Settecento avevano ipotizzato l'esistenza di due fluidi non materiali di carica diversa che si potevano spostare da un corpo all'altro.
Ma lo scienziato americano Benjamin Franklin (1706-1790), dopo una accurata serie di esperimenti, ebbe l'idea di attribuire ai fenomeni elettrici l'esistenza di un solo tipo di fluido. Un corpo con una determinata quantità di fluido è neutro; un fluido in eccesso da luogo ad una carica positiva; un fluido in difetto appare negativo. Da qui nacque il nome dei due tipi di cariche.
In fondo B. Franklin non aveva del tutto torto, infatti, negli esperimenti descritti sopra, solo gli elettroni si spostano da un corpo all'altro.
Quando si strofina la bacchetta di vetro con la lana, questa porta via elettroni dal vetro che diventa positivo per l'eccesso di protoni negli atomi non più schermati da altrettanti elettroni; e la lana diventa negativa. Viceversa, se con la lana si strofina l'ambra accade il contrario.
La teoria di B. Franklin derivava dalla intuizione che la carica elettrica non si crea né si distrugge, ma si può far passare da un corpo all'altro.

Avvertenze necessarie.
Bisogna essere ben certi che i panni usati siano di vera lana o seta; anche sostanze come l'ebanite ( gomma vulcanizzata rigida nera opaca) non sono facili da riconoscere, per non parlare delle “plastiche”. In ogni caso è bene fare i dovuti riconoscimenti di carica con un buon elettroscopio.
Inoltre quando si usa la tradizionale bacchetta di vetro è bene munirsi di un efficiente asciugacapelli con cui togliere l'umidità sia dalla superficie del vetro sia dalla lana; il vetro umido diventa conduttore; meglio usare il plexiglas.
Nelle esperienze di elettrostatica l'umidità spesso porta all'insuccesso!
Nei libri di testo si legge di usare anche pelli di gatto o di visone, ecc.; considerazioni personali a parte, è meglio sapere che questi si comportano in modo diverso a seconda della conciatura.
Le resine sono sia naturali sia sintetiche.
Abbiamo chiamato qui “plastiche” i numerosi polimeri di sintesi. Ma bisogna avvertire chi legge che il loro comportamento va ben analizzato: molti di essi si comportano in modi diversi e a volte strani.

Dunque due corpi elettrizzati si attraggono o si respingono a seconda della natura della loro carica elettrica: cariche dello stesso segno (entrambe positive o entrambe negative) si respingono, cariche di segno opposto (una positiva e l'altra negativa) si attraggono.

Esistono dei materiali che apparentemente non vengono elettrizzati per strofinio. Se proviamo a strofinare una bacchetta di metallo con un panno di lana e ad avvicinarla ad un elettroscopio vedremo che lo strumento non rivela nulla. Questo avviene perché i metalli sono conduttori di elettricità, quindi, quando vengono elettrizzati, gli elettroni di conduzione non restano confinati dove sono stati depositati, ma scorrono “quasi” liberamente al loro interno, passano lungo il nostro corpo ( anche noi siamo conduttori) per scaricarsi a terra. O, viceversa, se al metallo vengono sottratti elettroni, e si carica positivamente, dal suolo giungono elettroni che , passando attraverso il nostro corpo, vanno a neutralizzare l'oggetto, che si scarica.
I materiali come la “plastica”, il vetro, la ceramica ecc., invece, che non lasciano sfuggire le cariche dal punto in cui vengono poste, sono detti isolanti.

Se alla bacchetta di materiale conduttore applichiamo un manico di plastica, o di un'altra sostanza isolante, questo impedisce alle cariche di lasciare il materiale, e quindi di scaricarsi al suolo attraverso il nostro corpo. In questo caso anche la bacchetta di metallo viene elettrizzata per strofinio ed esercita una forza sulla bacchetta di vetro.

Nei conduttori gli elettroni sono “quasi” liberi di muoversi nel materiale; negli isolanti gli elettroni sono molto fortemente legati agli atomi e restano confinati. Esistono inoltre dei materiali che hanno delle caratteristiche intermedie tra quelle dei conduttori e quelle degli isolanti, i semiconduttori, molto usati nell'industria microelettronica.
Si può pensare, senza approfondire, che nei conduttori ogni atomo ceda un elettrone che può muoversi al suo interno in modo “quasi” libero, ma che per uscire dalla superficie abbia bisogno di una data energia (lavoro di estrazione).

Elettrizzazione per contatto

I materiali conduttori possono venire elettrizzati ponendoli a contatto con un corpo elettricamente carico, cioè possono essere elettrizzati per contatto. Anche in questo caso si ha un trasferimento di cariche elettriche da un corpo a un altro. Il corpo carico negativamente cede parte delle sue cariche al corpo neutro, rendendolo carico. Oppure un corpo carico positivamente toglie elettroni al corpo neutro che diventa positivo.

Elettroscopio

L'elettroscopio è basato sulla proprietà dei conduttori di venire elettrizzati per contatto o per induzione e sul meccanismo di repulsione tra due oggetti carichi dello stesso segno. Esso permette di verificare se un corpo è elettricamente carico. Ed è molto utile per il riconoscimento della carica.

Vi sono molti tipi di elettroscopi. L'elettroscopio più antico è costituito da un'asta metallica verticale alla cui estremità inferiore sono attaccate due sottili foglioline di metallo (generalmente oro o alluminio). Il tutto è racchiuso in un contenitore di vetro, da cui esce soltanto un pomello o un disco, anch'esso di metallo.
Se l'elettroscopio non è carico, le due foglie si dispongono verticalmente per il loro peso. Se invece tocchiamo il pomello dell'elettroscopio con una bacchetta carica, la carica elettrica trasmessa al pomello passerà all'asta e quindi alle foglioline, che (caricate dello stesso segno) si respingeranno e si allontaneranno tra loro.
Se invece avviciniamo la bacchetta carica si avrà l'induzione elettrostatica e le foglioline dell'elettroscopio divergeranno, per poi cadere giù se allontaniamo la bacchetta carica.

L'elettroscopio può venire usato anche per verificare se un corpo è un conduttore o un isolante. Se tocchiamo con una bacchetta isolante neutra il pomello dell'elettroscopio caricato elettricamente, le lamelle resteranno divaricate, mentre se il contatto avviene con un conduttore l'elettroscopio si scarica a terra attraverso il nostro corpo, e le due foglioline si riavvicineranno. Attenti, se indossiamo delle scarpe con suole di gomma isolante la cariche si distribuiranno sul nostro corpo e l'elettroscopio non si scaricherà completamente.

Elettrizzazione per induzione

Se avviciniamo una bacchetta di plexiglas, caricata positivamente, ad un conduttore neutro, sulla superficie di questo vicina alla bacchetta si affacceranno cariche positive (elettroni quasi liberi) e dunque dalla parte opposta del corpo si avrà una mancanza di elettroni e quindi apparirà positivo. Ci sarà una sorta di divisione di cariche. Ma se poi allontaniamo la bacchetta il conduttore tornerà neutro, poiché gli elettroni si disporranno nel precedente “equilibrio” con i protoni nei nuclei atomici.
Questo comportamento, detto induzione elettrostatica, suggerisce un altro modo per elettrizzare due oggetti conduttori operando la successiva separazione degli oggetti.

Nelle due figure si vedono le due sfere poggiate su supporti isolanti e unite da una barretta di rame; quando si avvicina ad una di esse la bacchetta carica positivamente, moltissimi elettroni ne vengono attratti e si affacciano alla superficie lasciando l'altra sfera con una carenza di elettroni con conseguente carica positiva. Se con una pinza isolante togliamo la barretta di rame e poi allontaniamo la bacchetta carica, possiamo notare che abbiamo caricato entrambe le sfere una positiva e l'altra negativa, come si può vedere con un elettroscopio. Se infine ricolleghiamo le due sfere vediamo che tornano (quasi) allo stato neutro.
L'esperimento è molto più immediato ed efficace se al posto delle due sfere si mettono due elettroscopi, poiché si vedono immediatamente le foglie divaricare non appena si avvicina ad uno la bacchetta carica e poi è facile osservare che i due elettroscopi restano carichi quando si è tolta la barretta conduttrice e si è allontanata la bacchetta carica.

L'influenza della bacchetta carica nei materiali isolanti provoca invece un fenomeno ben più complesso (anche se il comportamento degli elettroni nei conduttori non è semplice se visto nella fisica quantistica) detto polarizzazione. Ma qui non entriamo nell'argomento.

Se avviciniamo una bacchetta carica ad un oggetto neutro conduttore o isolante esso verrà attratto poiché la forza di attrazione sulle cariche più vicine alla bacchetta è maggiore della forza di repulsione delle cariche più distanti, come una sorta di effetto marea.

Immagine elaborata da FP

Un antico esperimento

Immagine da Elementary Treatise on Physics Experimental and Applied transalted from Ganot's Éléments De Physique by E. Atkinsons, W. Wood & Co. New York 1910

Dopo aver caricato la bacchetta strofinandola con un panno di lana, si avvicina la bacchetta ad una pallina di materiale neutro e leggero, come sughero, sambuco (oggi anche polistirolo), legata ad un filo di seta come un pendolo semplice. La pallina è neutra e inizialmente viene attratta, ma quando tocca la bacchetta viene respinta. Se la pallina viene rivestita con un leggero foglio di alluminio accade lo stesso fenomeno. Alla luce di quanto scritto fino a questo punto spetta al lettore la spiegazione.

BIBLIOGRAFIA:
F.A. Levi, E. Bilancia e P. Maltese, Triboelettricità nella didattica, Giornale di Fisica, Vol. XXX N° 4, Ottobre.-Dicembre 1989. AA. VV. PPC Progetto Fisica, Vol. B, Zanichelli, Bologna, 1986.
Halliday & Resnik, J. Walker, Fundamentals of Physics, John Wiley & Sons, Inc. 2011, da cui sono state tratte alcune figure poi rielaborate.

Esperienze possibili Descrizione
Elettrizzazione per strofinioElettrizzazione per strofinio
Elettrizzazione conduttoriElettrizzazione conduttori

Sitografia

fisica/strumenti/bacchetta_di_vetro.txt · Ultima modifica: 2023/12/02 16:11 da fabio.panfili