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L'elettromagnetismo

Elettrizzazione di un corpo

Già nel VI secolo a.C. il filosofo greco Talete di Mileto aveva notato che un pezzetto di ambra (in greco élektron, da cui deriva il termine elettricità) strofinato con un panno di lana acquista la capacità di attrarre corpi leggeri (per esempio, piccole pagliuzze) e che doveva entrare in gioco una forza diversa da quella gravitazionale, perché l'ambra non strofinata non aveva questa capacità. L'esperimento è tuttora ripetuto nelle prime lezioni sull'elettricità in tutte le scuole: è sufficiente strofinare con un pezzo di lana una biro e avvicinarla a un mucchietto di pezzettini di carta di quaderno e la biro attrarrà i pezzetti di carta. Quando un corpo ha acquistato tale capacità si dice che è elettrizzato, o carico di elettricità statica; ai fenomeni che si manifestano a seguito di questa condizione si dà il nome di fenomeni elettrici. Un corpo può venire elettrizzato in tre modi diversi: per strofinio, per contatto o per induzione.

Elettrizzazione per strofinio

Vi sono alcune sostanze (come l'ambra, il vetro, la plastica e la ceralacca) che possono venire elettrizzate per strofinio - per esempio, con un panno di lana - e acquistano la capacità di attrarre corpi neutri. Se strofiniamo due bacchette di vetro con un panno di lana e le avviciniamo tra loro, tenderanno a respingersi. Se invece strofiniamo una bacchetta di vetro e una di plastica, queste tenderanno ad attrarsi. Esistono quindi due tipi di elettrizzazione o di carica elettrica, che furono chiamati positiva e negativa dallo scienziato americano Benjamin Franklin (1706-1790), che si occupò di fenomeni elettrici attorno al 1750.

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. Quando un corpo viene elettrizzato per strofinio con un secondo corpo si ha un trasferimento di cariche elettriche da un corpo all'altro, così che uno dei due corpi si carica positivamente e l'altro si carica negativamente. In base a quanto detto relativamente alla natura atomica della carica elettrica, se strofiniamo con un panno di lana una bacchetta di plastica, che in questo modo si carica negativamente, gli elettroni passano dalla lana alla plastica: la plastica acquista elettroni, mentre la lana ne perde e si carica positivamente. In relazione alla capacità di elettrizzarsi per strofinio, i corpi si dividono in conduttori e isolanti.

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 a una bacchetta di vetro precedentemente elettrizzata per strofinio, vedremo che la bacchetta di metallo non esercita alcuna influenza su quella di vetro. Questo avviene perché i metalli sono conduttori di elettricità, quindi, quando vengono elettrizzati, le cariche elettriche che si producono sulla loro superficie non restano confinate dove sono state generate, ma scorrono liberamente al loro interno, passano alla nostra mano (anche noi siamo conduttori) e lungo il nostro corpo si scaricano a terra. I materiali come la plastica, il vetro e la ceramica, invece, che non lasciano sfuggire le cariche dal punto in cui vengono generate, sono detti isolanti.

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

Nei conduttori gli elettroni esterni sono liberi di muoversi e di portare la carica elettrica da un punto all'altro della superficie del 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.

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 elettricamente carico cede parte delle sue cariche (positive o negative) al corpo neutro, rendendolo carico.

Uno strumento basato sulla proprietà dei conduttori di venire elettrizzati per contatto, detto elettroscopio, permette di verificare se un corpo è elettricamente carico. L'elettroscopio (v. fig. 15.1) è costituito da un'asta metallica verticale alla cui estremità inferiore sono attaccate due sottili lamelle di metallo (generalmente oro o alluminio). Il tutto è racchiuso in un contenitore di vetro, da cui esce soltanto un pomello, anch'esso di metallo. Se l'asta dell'elettroscopio non è carica elettricamente, sotto l'influenza della forza di gravità le due lamine si dispongono verticalmente. Se invece tocchiamo il pomello dell'elettroscopio con un corpo carico, 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.

L'elettroscopio può venire usato anche per verificare se un corpo è un conduttore o un isolante. Se poniamo in contatto con il pomello dell'elettroscopio caricato elettricamente un isolante, le lamelle resteranno divaricate, mentre se il contatto avviene con un conduttore l'elettroscopio si scarica, trasferendo le sue cariche al conduttore, e le due lamelle si riavvicineranno.

Elettrizzazione per induzione

Un terzo modo per elettrizzare un corpo neutro è basato sul fenomeno dell'induzione elettrostatica (v. fig. 15.2). Supponiamo di avvicinare due sfere metalliche, isolate da terra mediante un manico di plastica, l'una carica positivamente e l'altra neutra. Per effetto della forza di attrazione elettrica, gli elettroni liberi presenti sulla superficie della sfera neutra tenderanno a concentrarsi nella parte della sfera più vicina alla sfera carica positivamente, mentre sulla parte più lontana si produrrà una concentrazione di cariche positive. Sulla sfera neutra si dice che è stata indotta una separazione di cariche. Allontanando nuovamente la sfera carica, le cariche sulla sfera neutra tornano a neutralizzarsi e si ristabilisce l'equilibrio. La sfera carica viene detta corpo induttore e la sfera sulla quale si produce la separazione di cariche viene detta corpo indotto. In questo tipo di elettrizzazione non si ha trasferimento di cariche, cioè il corpo indotto rimane nel suo complesso elettricamente neutro, ma si ha una separazione di cariche sulla sua superficie, a seguito della quale il corpo diviene in grado di esercitare una forza elettrica su un altro corpo carico.

Il fenomeno dell'induzione elettrostatica viene sfruttato, per esempio, nei parafulmine, il cui scopo è quello di impedire che le scariche elettriche prodotte dai fulmini colpiscano gli edifici. Il parafulmine è costituito da un'asta metallica appuntita, posta sulla sommità dell'edificio da proteggere e collegata a terra mediante un conduttore. Il passaggio di una nuvola carica di elettricità induce sulla punta del parafulmine una carica di segno opposto. È dimostrato che gli oggetti appuntiti sono in grado di attrarre maggiormente le cariche di segno opposto, poiché il fenomeno dell'induzione su una punta porta alla migrazione di molte cariche in una superficie ridotta: questo fa sì che la forza attrattiva di un oggetto affusolato, come appunto il parafulmine, sia maggiore. Questo fenomeno si dice effetto punta. La carica indotta sul parafulmine favorisce il prodursi di una scarica elettrica tra la nuvola carica di elettricità e il parafulmine stesso, il quale, collegato a terra, permette in tal modo al fulmine di scaricarsi e di non danneggiare l'edificio.

Lo schema della figura 15.3 riassume i metodi di elettrizzazione dei corpi, i materiali nei quali quel tipo di elettrizzazione è più facilmente osservabile e le conseguenze in termini di cariche elettriche (ricordiamo che anche un conduttore può venire elettrizzato per strofinio, ma occorre isolarlo, ovvero montarlo per esempio su un manico di plastica).

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Figura 15.1Figura 15.2Figura 15.3

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