Le macchine elettrostatiche

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Le macchine elettrostatiche
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Introduzione allelettrostatica

• Per elettrostatica si intende quella
  branca della fisica che ha per oggetto i fenomeni
  elettrici generati da cariche in equilibrio.
• Alla base dellelettrostatica stanno i concetti
  di carica elettrica e di campo elettrico la
  presenza di un eccesso di cariche su un corpo
  genera un campo elettrostatico intorno ad esso
  che altera le proprietà dello spazio e agisce su
  altre cariche libere per mezzo della forza di
  Coulomb.
• Tipici fenomeni elettrostatici sono linduzione
  dei materiali conduttori e la polarizzazione dei
  dielettrici.

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Linduzione elettrostatica

• Il meccanismo che spiega il fenomeno
  dellinduzione elettrostatica è semplice
  allinterno di un materiale conduttore esistono
  elettroni liberi di muoversi (elettroni di
  conduzione), normalmente responsabili della
  conduzione della corrente elettrica questi,
  sottoposti alla forza di Coulomb esercitata dalla
  carica elettrica del corpo inducente, vengono
  attirati o respinti, a seconda che tale carica
  sia positiva o negativa.
• Supponendo che sia positiva, gli elettroni della
  sferetta metallica tendono a portarsi sul lato
  rivolto verso la bacchetta, lasciando scoperta
  una parte delle cariche positive fisse del lato
  opposto della sferetta.
• Il risultato è che allinterno del corpo
  metallico che subisce linduzione, le cariche
  elettriche, prima distribuite omogeneamente in
  modo da dare leffetto complessivo di neutralità
  elettrica, si ridistribuiscono disomogeneamente,
  generando uno squilibrio.
• Il fenomeno dellinduzione elettrostatica,
  quindi, non viola il principio di conservazione
  della carica non consiste infatti in una
  comparsa dal nulla di una carica elettrica prima
  inesistente, ma in una semplice ridistribuzione
  della carica esistente allinterno del corpo
  indotto. Una volta allontanati i due corpi,
  ammesso che non vi sia stato contatto tra i due,
  nel corpo indotto la carica si ridistribuisce
  equamente, e si ristabilisce la condizione di
  neutralità elettrica iniziale.

Spiegazione del fenomeno dellinduzione
elettrostatica
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Lelettrizzazione di un corpo

• Esistono tre metodi per elettrizzare un corpo
  mediante strofinio, per contatto con un corpo
  carico e per induzione.
• Linduzione è un fenomeno elettrostatico che
  consiste nellelettrizzazione temporanea di un
  corpo inizialmente neutro, posto in vicinanza di
  un corpo carico. Nellesempio, una barra dotata
  di carica elettrica negativa, avvicinata a una
  sferetta di materiale conduttore neutro, tende ad
  allontanare da sé le cariche negative della
  sferetta (perché cariche elettriche dello stesso
  segno si respingono). Se si collega a terra la
  sferetta, lelettrizzazione può diventare
  permanente le cariche negative ne defluiscono,
  mentre quelle positive rimangono su di essa,
  attratte dalla barra. La carica
  positiva della sferetta, quindi, non più
  bilanciata da unuguale quantità di carica
  negativa, rimane scoperta e permane anche dopo
  lallontanamento della barra.

Elettrizzazione per induzione
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Lelettroscopio

• Per chiarire ancora meglio il fenomeno
  dellinduzione elettrostatica utilizziamo un
  apparecchio che ci permette di misurare la
  carica elettrica di un corpo elettrizzato
  lelettroscopio
• In forma semplificata, l'elettroscopio è
  costituito da due leggerissimi conduttori
  metallici sospesi per mezzo di un sostegno in un
  involucro di vetro o di altro materiale isolante.
  I conduttori, che molto spesso sono due
  sottilissime lamine d'oro, sono collegati
  elettricamente a un terzo conduttore posto
  all'esterno dell'involucro quando il conduttore
  esterno viene posto a contatto con un corpo
  carico, sulle due lamine interne si distribuisce
  una carica elettrica dello stesso segno e quindi
  queste si allontanano. Misurando la distanza
  indotta fra i due conduttori è possibile risalire
  alla quantità di carica portata dal corpo
  elettrizzato.

Come funziona lelettroscopio
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Come funziona lelettroscopio

• Per determinare lo stato elettrico di un corpo lo
  si può mettere in contatto con il pomello (d) di
  un elettroscopio. Se nel corpo sono presenti
  delle cariche in eccesso, fluiscono
  automaticamente attraverso il supporto metallico
  (b) fino a distribuirsi tra le foglioline (a) e
  (a_), pure metalliche. Queste, essendosi caricate
  entrambe dello stesso segno, si allontanano l'una
  dall'altra in misura proporzionale all'intensità
  della carica. Il tutto è protetto da un
  contenitore di vetro (c).

Schemi di un elettroscopio
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Lelettroforo di Volta

• Unaltra macchina ad induzione molto famosa è
  lelettroforo di Volta
• Esso è costituito da due dischi, luno di
  materiale isolante (schiacciata), laltro
  metallico (scudo), munito di manico isolante
  (fig.a).
• Dopo aver elettrizzato la schiacciata per
  strofinio (negativamente), si può elettrizzare
  ripetutamente lo scudo collegandolo
  momentaneamente alla terra mentre funziona da
  indotto (fig.b) su di esso resta solo
  elettricità di segno opposto a quello della
  schiacciata. Sollevato lo scudo elettrizzato
  (fig.c), lo si può usare per caricare altri
  conduttori. Dopo averlo scaricato, si può
  ripetere loperazione riappoggiandolo sulla
  schiacciata rimasta elettrizzata.

Le varie fasi del funzionamento dellelettroforo
di Volta
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Il pendolino elettrico

• Al posto dellelettroforo di Volta si può usare
  un rivelatore meno sensibile dello stato
  elettrico il pendolino elettrico.
• Una pallina di carta stagnola sospesa a un filo
  costituisce un pendolino elettrico. Avvicinando
  una bacchetta di vetro elettrizzata per strofinio
  (vedi fig.a), la pallina viene dapprima attratta,
  poi decisamente respinta appena ha toccato il
  vetro col contatto, essa ha ricevuto una parte
  della carica elettrica del vetro.
• Un secondo pendolino (vedi fig.b) si comporta
  allo stesso modo, ma con una bacchetta di ebanite
  elettrizzata dopo il contatto ancora repulsione.
  
• Avvicinati tra loro i due pendolini
  precedentemente elettrizzati manifestano
  reciproca attrazione (fig.c).

Come si comporta il pendolino elettrico quando si
avvicinano bacchette di vetro e di ebanite
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Cosa dimostra lesperienza ?

• Lesperienza, ripetuta usando bacchette di altri
  tipi di materiale strofinate dimostra che
• Esistono due tipi di elettricità quella che si
  desta nel vetro, o nei corpi come il
  vetro che viene chiamata vitrea o elettricità
  positiva, e quella che si desta nellebanite, o
  nei corpi che si comportano come lebanite che
  viene chiamata resinosa o elettricità negativa.
  
• Cariche dello stesso segno si respingono e
  cariche dello stesso tipo si attraggono.
• La forza di attrazione o repulsione diminuisce
  rapidamente con la distanza che separa i corpi
  interagenti.
• Esistono materiali che hanno cariche elettriche
  capaci di spostarsi da un punto allaltro del
  corpo ( conduttori ) e materiali in cui le
  cariche rimangono localizzate nella regione dove
  è avvenuto lo strofinio ( isolanti o
  dielettrici ) .

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Il generatore di Van Der Graaf

• La più moderna tra le macchine elettrostatiche è
  il generatore di Van der Graaf.
• Il tipo più semplice è formato da una grande
  sfera metallica cava isolata, che riceve in modo
  continuo cariche elettriche introdotte in essa da
  un nastro di materiale isolante, teso tra due
  pulegge rotanti in senso concorde tale nastro
  viene elettrizzato a effluvio, cioè applicando
  il potere delle punte da un generatore ausiliario
  esterno e cede alla sfera cava le cariche
  trasportate tramite un pettine metallico, che
  insieme con la sfera si comporta da indotto a
  punta.

Il generatore di Van Der Graaf
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Esperienze con la macchina di Van de Graaf

• Per lesperienza utilizziamo un recipiente avente
  ai lati due elettrodi a punta, al cui interno è
  inserito dellolio e del semolino.
• Se colleghiamo i due elettrodi ai due diversi
  poli della macchina, azionando questultima
  vedremo che nel recipiente si verranno a formare
  delle linee di forza convergenti tra i due
  elettrodi
• Se invece colleghiamo i due elettrodi ad un solo
  polo ci accorgiamo che le linee di forza che si
  verranno a formare saranno diverse rispetto al
  primo caso, perché esse divergono
• Se posizioniamo un anellino allinterno del
  recipiente e azioniamo la macchina, ci accorgiamo
  che allinterno di esso il semolino non subisce
  alcuna modifica. Lanello quindi costituisce uno
  schermo elettrostatico.
• Se al posto di due elettrodi a punta inseriamo un
  doppio strato elettrico, il campo elettrico sarà
  uniforme in ogni punto. Azionando la macchina le
  linee di forza che si verranno a formare andranno
  da un elettrodo allaltro.

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Cosa sono le linee di forza ?

• Le linee di forza sono quelle linee la cui
  tangente in ogni punto ha la stessa direzione del
  campo elettrostatico in quel punto.
• Nel primo caso le linee di forza che si verranno
  a formare saranno come quelle in figura 1. Il
  sistema costituito dalle cariche opposte prenderà
  il nome di dipolo elettrico. Le linee di forza
  che escono dalla carica positiva sono in uguale
  numero a quelle che entrano nella carica
  negativa.
• Nel secondo caso le linee di forza che si
  verranno a formare saranno come quelle in figura
  2. Tra due cariche uguali, infatti, le linee che
  si verranno a formare divergono.

Linee di forza generate da due cariche opposte
Linee di forza generate da due cariche uguali
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La gabbia di Faraday

• Unaltra macchina elettrostatica è la gabbia di
  Faraday.
• Essa è un esempio di schermo elettrostatico ed è
  realizzata mediante una rete metallica a maglie
  molto fitte (chiusa a formare una sorta di
  gabbia). All'interno di questa non vi sono
  effetti dovuti a campi elettrostatici esterni né
  al caricamento della gabbia stessa. 
• La verifica può essere fatta posizionando
  all'interno della gabbia un elettroscopio. La
  gabbia viene caricata da un generatore
  elettrostatico mentre l'elettroscopio all'interno
  non rivela alcuna presenza di cariche. E'
  possibile, inoltre, utilizzare un secondo
  elettroscopio collegato elettricamente
  all'esterno della gabbia per rivelarne la carica.

Un esempio di gabbia di Faraday
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• Fine