ElettrostaticaElettrostatica

Elettromagnetismo

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Introduzione

• Ubiquità dei fenomeni elettrici nella vita quotidiana (elettrodomestici, elettronica, informatica, telecomunicazioni…)

• Scarsa visibilità di fenomeni elettrici in natura– fulmine– elettrizzazione di oggetti per strofinio

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Elettrizzazione per strofinioFatti sperimentali

• 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

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• Bacchette di vetro elettrizzata per strofinio con lana

• Bacchette di plastica elettrizzata per strofinio con lana

Elettrizzazione per strofinioForze fra corpi elettrizzati

vetro/vetro ⇒ si respingono ← →

plastica /plastica ⇒ si respingono ← →

vetro/ plastica ⇒ si attraggono → ←

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Elettricità positiva e negativa

Si definiscono• carichi positivamente i corpi che si comportano

come il vetro • carichi negativamente i corpi che si

comportano come la plastica

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

+ + + + + – – – – –

+ + + + + + + + + +

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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

ElettroneDa dove vengono le cariche elettriche?

----

--

-

-

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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

+ - + - + - + --

+ - + - + - + --+ - + - + - + - +

+ - + - + - + - +

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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

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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.

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Non tutto si elettrizza…

Non tutti i materiali si elettrizzano. Esperimento: • bacchette di vari materiali strofinate con un panno di

lana• pendolino elettrico.

Avvicinando la bacchetta alla pallina, in alcuni casi la pallina si avvicina in altri no, a seconda del materiale di cui è fatta la bacchetta

• Rifacendo l’esperimento del pendolino magnetico con una bacchetta che non dà effetti, ma dotata di manico fatto dai materiali che danno effetti, si osserva che la pallina si muove

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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.

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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 sono ioni positivi o negativi

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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

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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 lastre 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

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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 × 1019 C

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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.

Esempi• Elettrizzazione per strofinio: di quanto la bacchetta si

carica positivamente (negativamente), di tanto il panno si carica negativamente (positivamente).

• Decadimenti a livello di fisica subnucleare: la carica si conserva sempre. γ e+ + e-

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Caratteristiche della forza elettrica

• Verificata sperimentalmente l’esistenza di cariche elettriche positive e negative

• Definita operativamente la carica (tramite elettroscopio)

• Introdotta la differenza fra conduttori e isolanti

… bisogna definire in che misura le forze elettriche dipendono dalle cariche possedute e in che modo si esercitano!!!

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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 α), si risale all’intensità della forza.

α

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Legge di Coulomb

• Per corpi estesi non è possibile trovare una forma semplice per esprimere l’intensità della forza

• Ma… per cariche puntiformi si verifica che vale una legge relativamente semplice. L’intensità della forza vale

• La direzione della forza è quella della congiungente le due cariche

• Il verso è attrattivo se le cariche hanno segno opposto, repulsivo altrimenti

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rQQkF ⋅=

Dove k = 8,99 × 109 N m2 / C2

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• 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 × 109 N m2 / C2

(grosso!!!!)

Legge Coulomb Vs. legge gravitazione

221

rQQkF ⋅= 2

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rmmGF ⋅=

• 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 N m2 / kg2 (piccolo!!!!)

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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 che si chiama costante dielettrica relativa

∀ εr ≥ 1 sempre (vale 1 solo nel vuoto)

∀ εr è un numero puro

mezzo

vuotor F

F=ε

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Costante dielettrica relativa

Mezzo εr Mezzo εr Mezzo εr

Aria 1,00059 Alcol etilico 28 Plexiglas 3,4

Vapor acqueo

1,00060 Zucchero 3,3 PVC 4,5

Acqua 80 Vetro 5-15 Ambra 2,8

Ghiaccio 75 Silicio 12 Legno 3-7

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Principio di sovrapposizione

L’esperienza mostra che per le cariche elettriche vale il

principio di sovrapposizione

Se una carica q si trova in presenza di più cariche Q1, Q2, Q3,… QN, la carica q subisce una forza pari alla somma delle forze che subirebbe in presenza di ciascuna carica singolarmente.

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Induzione elettrostatica

• Un corpo carico può esercitare una forza su un corpo neutro (conduttore) avvicinando una bacchetta elettrizzata carica a una pallina conduttrice neutra, agisce una forza attrattiva.

• Il fenomeno è dovuto alla ridistribuzione della carica nel conduttore: le cariche delle stesso segno di quelle presenti sulla bacchetta se ne allontanano, quelle di segno opposto le si avvicinano.

• Le cariche sentono l’effetto delle forze esercitate dalle cariche presenti sulla bacchetta, e prevale l’effetto attrattivo perché le cariche di segno opposto sono più vicine di quelle di segno uguale.

• Se allontano la bacchetta tutto torna neutro • MA• Se prima di allontanare la bacchetta tocco la pallina, porterò

via, per contatto, le relative cariche, o separo la pallina in due parti, ho trovato un modo per caricare la pallina senza contatto.

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Elettroforo di Volta

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.

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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