Fenomeni di elettrizzazione

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Fenomeni di elettrizzazione.
In tutti i corpi, anche allo stato neutro, esistono particelle cariche, particelle con cariche negative, gli elettroni, particelle con cariche positive, i protoni.Tutti i corpi allo stato neutro hanno lo stesso numero di protoni ed elettroni. Qualsiasi fenomeno di elettrizzazione va interpretato come un'alterazione dell'equilibrio tra cariche elettriche positive e negative esistenti in ogni corpo non elettrizzato.
L'elettrizzazione è il risultato dello spostamento di un certo numero di elettroni, detti elettroni di conduzione, da un corpo a un altro.
Analizziamo i fenomeni di elettrizzazione:
1. Elettrizzazione per strofinio.
Strofinando una bacchetta di vetro, con un panno di seta, si elettrizza positivamente, ciò accade perchè alcuni elettroni vengono strappati al vetro dalla seta.
Strofinando una bacchetta di polietilene, con una pelle, si elettrizza negativamente, ciò accade perchè alcuni elettroni vengono strappati alla pelle dal polietilene.
2. Elettrizzazione per contatto.
Nei conduttori alcuni elettroni (detti elettroni di conduzione) hanno una certa libertà di movimento, cioè se soggetti a una forza elettrica, si spostano da un atomo a un'altro. Se facciamo toccare una barretta di metallo con un corpo carico positivamente, gli elettroni di conduzione della barretta sono attratti dal corpo carico, il metallo perde, così, alcune cariche negativa e risulta carico positivamente.
3. Elettrizzazione per induzione.
Se avviciniamo a una barretta di metallo un corpo carico, ad esempio positivamente, gli elettroni di conduzione vengono richiamati verso la parte più vicina al corpo carico. Se il corpo carico viene allontanato la barretta ritorna neutra.
Durante il processo di carica di un conduttore c'è un movimento di cariche elettriche, tale movimento cessa nell'istante in cui ha termine il processo di carica ed il conduttore raggiunge uno stato di equilibrio detto equilibrio elettrostatico. Sperimentalmente si ricava che le cariche elettriche di un conduttore in equilibrio elettrostatico si distribuiscono sulla superficie esterna del conduttore stesso.
Le forze elettriche, come le forze gravitazionali e le forze magnetiche, si trasmettono tra i corpi interagenti senza che necessariamente avvenga il contatto.
Una carica q posta nelle vicinanze di un corpo carico risente di una forza e questo si traduce dicendo che nello spazio circostante il corpo esiste un campo elettrico, un vettore che ha la stessa direzione della forza elettrica stesso verso se q è positiva, verso opposto se q è negativa e modulo E=F/q.
Per visualizzare qualitativamente il campo elettrico si possono rappresentare alcuni vettori di campo associati ad un numero sufficiente di posizioni.. Un'altra maniera per rappresentare il campo si basa sul disegno di un numero sufficiente di linee di forza.
Nel caso che il campo elettrico sia generato da un numero n di cariche puntiformi il campo elettrico è la somma vettoriale dei campi elettrici che le varie cariche generano da sole (Principio di sovrapposizione.)
Per determinare il campo elettrico generato da una lastra carica o da un filo rettilineo carico si applica il teorema di Gauss.
Se una particella q si muove in un campo elettrico la forza elettrica compie lavoro che non dipende dalla traiettoria seguita dalla carica q ciò si esprime dicendo che il campo elettrostatico è conservativo. Possiamo così introdurre una grandezza U detta energia potenziale elettrica, funzione della posizione di q tale che L=Ua-Ub.
Se una carica puntiforme q viene sparata all'interno di un condensatore piano carico essa percorrerà una traiettoria parabolica.
La corrente elettrica.
Nei metalli gli elettroni di conduzione, liberi di muoversi da un atomo all'altro, hanno, quando il metallo è in equilibrio elettrostatico, un moto disordinato.
Se, agli estremi del conduttore, si applica una ddp, gli elettroni di conduzione si muovono ordinatamente verso i punti a potenziale maggiore. La velocità degli elettroni è molto bassa, circa 1/100 cm/s. In questa situazione si dice che il conduttore è attraversato da una corrente elettrica.
In generale si dice corrente elettrica qualsiasi movimento ordinato di elettroni. (fig.1)
Si definisce intensità di corrente il rapporto:
i=q/t
dove q è la quantità di carica che attraversa qualsiasi sezione del filo nell'intervallo di tempo t e l'intervallo t stesso.
L'intensità di corrente nel sistema SI si misura in ampere (A).
La corrente la cui intensità non varia nel tempo si dice continua.
La resistenza elettrica e le leggi di Ohm.
In un filo conduttore la corrente i è prodotta dalla ddp applicata ai suoi estremi.
Se si varia la ddp varia la corrente i. Se manteniamo costante la ddp e variamo il filo conduttore varia la corrente i.
Georg Simon Ohm (1787-1854), insegnante di matematica e fisica nel ginnasio del Collegio dei Gesuiti a Colonia, ricavò sperimentalmente le
leggi di Ohm.
La legge di Coulomb.
Nel 1785 Coulomb determinò la legge che esprime la forza elettrica tra due cariche in funzione della distanza e della grandezza delle cariche.
1. Dipendenza della forza dalla distanza.
Coulomb operò con delle sferette aventi una determinata carica e le pose a varie distanze, dalle misure fatte ricavò che se la distanza raddoppia la forza diviene quatto volte più piccola, se la distanza triplica la forza diviene nove volte più piccola, se la distanza si dimezza la forza diviene quattro volte più grande ecc...
Quindi la forza di interazione tra due cariche puntiformi è inversamente proporzionale al quadrato della distanza.
2. Dipendenza della forza dalle cariche.
Coulomb ricavò che non variando la distanza, la forza è direttamente proporzionale a ciascuna delle due cariche, quindi al loro prodotto.
Riunendo i due risultati possiamo scrivere:

equazione che esprime la Legge di Coulomb:
la forza attrattiva o repulsiva fra due cariche elettriche è direttamente proporzionale al prodotto delle cariche e inversamente proporzionale al quadrato della distanza che le separa.
Distibuzione delle cariche sui conduttori.
Con una semplice esperienza si può verificare che le cariche elettriche, in un conduttore carico ed in equilibrio elettrostatico, si distribuiscono sulla superficie esterna del conduttore stesso.
Portiamo due emisferi, inizialmente allo stato neutro, a contatto con una sfera carica, in modo da formare con questa un unico conduttore. Allontaniamo i due emisferi, con un elettroscopio si può provare che gli emisferi sono carichi, mentre la sfera conduttrice è rimasta scarica.. infatti durante il contatto la carica elettrica è passata dal conduttore sferico ai due emisferi, i quali rappresentano la superficie esterna del conduttore formato dalla sfera e dagli emisferi.
Concetto di campo elettrico e linee di forza.
Il campo elettrico è definito nel seguente modo:
in un punto dello spazio esiste un campo elettrico non nullo quando una carica posta in quel punto risulta soggetta ad una forza elettrica.
Il modulo della forza F risentita da una carica q non troppo grande è proporzionale alla carica stessa, vale la relazione:
F=qE
da cui si ricava:
E=F/q
E si chiama inensità del campo elettrico.
Concludendo possiamo dire che il campo elettrico in un punto dello spazio è un vettore aventela direzione della forza esercitata sopra una carica sufficientemente piccola posta in quel punto, verso concorde alla forza se la carica considerata è positiva, verso opposto se è negativa ed intensità uguale al rapporto tra l'intensità della forza e la carica.
Consideriamo il caso del campo elettrico generato nello spazio vuoto da una carica elettrica Q fissa in un punto O. Il campo può essere rappresentato nel seguente modo:
Le linne disegnate si chiamano linee di forza.
Una linea di forza è una linea dotata di verso tale che in ogni suo punto la tangente orientata ha la direzione ed il verso del campo elettrico.
Il teorema di Gauss ci mette in grado di calcolare il flusso del campo elettrico attraverso una qualsiasi superficie chiusa:
"Se Q è la carica totale contenuta in una superficie chiusa S il flusso generato da Q attraverso S è:
Applicazioni:
1. .Distribuzione delle cariche sulla superficie di un conduttore in equilibrio elettrostatico. Abbiamo già osservato sperimentalmente che le cariche in un conduttore in equilibrio elettrostatico si distribuiscono sulla superficie esterna. Infatti, il campo elettrico all'interno di un conduttore è nullo altrimenti farebbe muovere gli elettroni di conduzione del conduttore ed esso non sarebbe più in equilibrio elettrostatico. Se E=0 anche il flusso, attraverso una qualsiasi superficie chiusa interna al conduttore, è nullo. Allora per il teorema Q=0.
2. Il campo elettrico di una lastra carica.(fig.1)
3. Il campo elettrico di un condensatore.(fig.2)

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