Elettrizzazione dei corpi - Popolis

Alunne: Francesca Casali e Laura Ceresa
Classe: 2H
Anno scolastico: 2002/03
Professore: Dal Bosco Andrea
ELETTRIZZAZIONE DEI CORPI
OBIETTIVO: analizzare sperimentalmente in modo qualitativo alcuni fenomeni di elettrizzazione
dei corpi.
1°PARTE: osservazione di un fenomeno di elettrizzazione elementare con l’uso di materiale non
necessariamente presente nel laboratorio di fisica.
MATERIALE UTILIZZATO: biro BIC di materiale plastico, maglione di lana, foglio di carta.
Utilizzando una biro BIC di materiale plastico si è potuto notare che essa si elettrizzava per strofinio
con un panno di lana. Questo fenomeno lo abbiamo dedotto per le seguenti osservazioni.
Inizialmente, prima di essere strofinata con la lana, la biro non manifestava alcuna interazione con
dei pezzetti di carta posti in posizione ravvicinata alla stessa. Successivamente allo strofinio, si è
invece notato che i medesimi pezzetti di carta venivano attratti dalla biro quando era avvicinata ad
essi.
1) SITUAZIONE INIZIALE GIUSTIFICAZIONE
Biro BIC
Pezzettini di carta
+ - + -+ - + - + - + -
Neutri
+ -+ - + - + -
2) STROFINIO (ELETTRIZZAZIONE) GIUSTIFICAZIONE
- - - + - - - + - - - + -
Biro BIC
Lana
Elettrizzati
+ + + - + + + - + + + -
3) ATTRAZIONE GIUSTIFICAZIONE
Q=carica elettrica Q2
---+---+---
Q1 F
d
Separazione delle cariche F
nella carta (isolante)
++++++
- - - - - - Q1
K * Q1*
Q2
F =
2
Legge di Coulomb causa dell’attrazione
d

CONSIDERAZIONI
A. Nota: un corpo si carica positivamente perché perde elettroni. Viceversa un corpo si carica
negativamente perché acquista elettroni.
B. Principio di conservazione della carica elettrica: la carica persa da un corpo è uguale a quella
acquistata dall’altro.
C. Convenzione: gli scienziati hanno attribuito i seguenti segni di carica ai corpi elettrizzati per
strofinio con la lana:
• vetro (+) carica positiva. Il panno di lana strofinato con il vetro assume invece carica
negativa;
• plastica (-) elettricità negativa. Il panno di lana strofinato con la plastica assume invece
carica positiva.
2°PARTE: osservazione di alcuni fenomeni di elettrizzazione con l’uso del materiale presente
nel laboratorio di fisica.
MATERIALE UTILIZZATO: macchina di Whimshurst, pendolino elettrico doppio (P), asta
isolante (M) provvista ad una estremità di una sfera metallica(K), mulinello a tre punte su
asta isolante, catenella di metallo.
VISTA POSTERIORE DELLA MACCHINA
ARMATURE DI
STAGNOLA:
CAUSE DELLA
ELETTRIZZAZIONE
DELLA MACCHINA
CON CREAZIONE DI
CARICHE (+) E (-)
RACCOLTE
RISPETTIVAMENTE
NEI 2
CONDENSATORI
C1 , C2
CONDENSATORI
C1, C2: BOTTIGLIE DI
LEIDA PER
RACCOGLIERE LE
CARICHE ELETTRICHE
PRODOTTE
B
C1
A
C2
ASTE MUNITE DI
SPAZZOLE PER IL
PRELEVAMENTO
DELLE CARICHE
GENERATE SULLE
ARMATURE DI
STAGNOLA
DISCHI DI PLEXIGLASS
RAVVICINATI A , B
RUOTANTI IN SENSO
OPPOSTO
CINGHIA PER LA
TRASMISSIONE
DELLA ROTAZIONE
MANOVELLA

VISTA ANTERIORE DELLA MACCHINA
DISCHI DI PLEXIGLASS
RAVVICINATI A , B
RUOTANTI IN SENSO
OPPOSTO
A
B
S1
S2
ASTE MUNITE DI
SPAZZOLE PER IL
PRELEVAMENTO DELLE
CARICHE GENERATE
SULLE ARMATURE DI
STAGNOLA
ARMATURE DI
STAGNOLA:
CAUSE DELLA
ELETTRIZZAZIONE
DELLA MACCHINA
CON CREAZIONE DI
CARICHE (+) E (-)
RACCOLTE
RISPETTIVAMENTE
NEI 2
CONDENSATORI
C1 , C2
AS1
R1
C2
C1
R2
AS2
ASTE MOBILI CON MANICO
ISOLANTE R1 , R2 ATTE A
PRELEVARE LE CARICHE
PRODOTTE E DEPOSITATE
DALLA MACCHINA SUI
CONDENSATORI C1 , C2 AL
FINE DI DEPOSITARLE SULLE
ASTE METALLICHE AS1 , AS2
(MUNITE ALLA ESTREMITA’
SUPERIORE DI SFERE
METALLICHE S1 , S2)
CONDENSATORI C1 , C2:
BOTTIGLIE DI LEIDA PER
RACCOGLIERE LE
CARICHE ELETTRICHE
PRODOTTE
UTILIZZO DELLA MACCHINA
FASE A
GENERAZIONE DI CARICHE ELETTRICHE CON LA MACCHINA
Il fenomeno dell’elettrizzazione dei corpi si è osservato in modo ancora più evidente usando la
macchina di Whimshurst. Qui di seguito non vengono analizzati nei dettagli i principi di
funzionamento della macchina (processi dovuti all’influenza di carica) ma, (fase B e seguenti), i
fenomeni elettrostatici che abbiamo prodotto nell’utilizzo della macchina stessa.
Girando la manovella della macchina in senso orario (freccia arancione), si sono prodotte cariche
elettriche (+) e (-) che, come evidenziato negli schemi sovrastanti, la macchina ha raccolto nelle
due sfere metalliche (S1 , S2). Una sfera si è caricata positivamente, l’altra negativamente.
FASE B
SCARICAMENTO RAPIDO DELLA MACCHINA (SCARICA A SCINTILLA)
Dopo avere effettuato la fase A sopra citata, le due sfere metalliche (S1 , S2) della macchina si sono
caricate (come precisato al punto precedente). Tenendo presente che l’accumulo delle cariche sulle
sfere viene meglio effettuato quando esse sono poste ad una certa distanza, una volta ravvicinate le
sfere è scoccata una scintilla che ha emesso luce visibile di colore biancastro - violetto. Il fenomeno
è stato violento e rumoroso ed è avvenuto poiché l’aria, che normalmente è un isolante, in
condizioni limite (grossa differenza di potenziale fra le due sfere caricate con carica di segno
opposto poste a modesta distanza), non è più riuscita a comportarsi come tale e ha permesso la
genesi di un trasferimento di carica fra le due sfere (così viene definito in gergo il fenomeno).
Volendo cogliere nella realtà quello che è accaduto, si consideri quanto segue. Nell’aria secca
alcune molecole componenti sono sempre ionizzate; ciò è dovuto alla ionizzazione prodotta dai
raggi ultravioletti e dalla radiazione cosmica. Tali ioni (+) e (-) tendono progressivamente a
dirigersi verso le sfere della macchina caricate con carica opposta. Se come sopra detto le
condizioni di carica e distanza delle sfere della macchina sono opportune (si ribadisce grande carica

sulle sfere e quindi grande differenza di potenziale fra di esse e piccola distanza tra le sfere) il
processo procede a valanga, con la tendenza degli ioni dell’aria a ionizzare per urto altre molecole
dell’aria. Tutti gli ioni dell’aria, sia quelli presenti inizialmente che quelli prodotti successivamente
a valanga, migrano verso le sfere cariche di segno opposto generando il fenomeno osservato della
scarica a scintilla. Il rapido riscaldamento dell’aria e la correlata espansione della medesima ha
prodotto il rumore e il crepitio che si è udito. Vi è stata quindi una analogia con il fenomeno
naturale (fulmine - tuono), dove il tuono segue sempre la scarica elettrica visibile. Il suono (onda
sonora) viaggia infatti nell’aria ad una velocità (340[m/s]) che molto inferiore a quella della (onda
luminosa) luce che è di (300000[Km/s]). Questa è la ragione del fatto che i sensi di un osservatore
esterno percepiscono l’onda sonora sempre in ritardato rispetto a quella luminosa. Questo è quanto
abbiamo colto anche noi nell’esperienza sopra citata.
S1
S2
LUCE
SUONO
FASE C
PRELEVAMENTO DI CARICHE ELETTRICHE DALLA MACCHINA E LORO
UTILIZZO PER LA VISUALIZZAZIONE UN FENOMENO ELETTROSTATICO
Dopo aver azionato nuovamente la macchina di Whimshurst, essa è divenuta ancora attiva; si sono
ancora accumulate cariche elettriche sulle sfere metalliche S1 , S2. Abbiamo quindi preso un’asta di
metallo con manico isolante (M) munita ad una sua estremità di una sfera metallica (K). Si è poi
avvicinata e posta a contatto a una delle due sfere S1 , S2 della macchina tale sfera (K) tenendo per
il manico isolante con la mano l’asta (M). Si sono così prelevate delle cariche dalle sfere S1 , S2
(fase 1). Questo lo si è potuto verificare avvicinando ad un pendolino elettrico doppio scarico (P), la
sfera (K). Le due masse leggere di polistirolo (M) del pendolino sono state inizialmente (fase 2)
attratte dalla sfera (K). Tali masse hanno quindi raccolto per contatto con la sfera (K) della carica di
uguale segno. Abbiamo poi allontanato l’asta unita alla sfera (K). Si è osservato quindi che le due
masse del pendolino si respingevano (fase 3). Ciò si è manifestato per la repulsione esistente fra
corpi carichi con carica di eguale segno.
P
M
M
+ - + - + - + -
PENDOLINO
ELETTRICO
DOPPIO
QUANDO E’
SCARICO
+ - +
- + -
ASTA DI METALLO
CON MANICO
ISOLANTE (M) E SFERA
(K) SCARICA
Fase 1
MIGRAZIONE DI
PARTE DELLA CARICA
DALLA SFERA S1
S1
S2
+ -
- - -
---
K
M
ASTA DI METALLO CON
MANICO ISOLANTE (M) E
SFERA (K) CARICA

Fase 2
LE MASSE DEL PENDOLINO,
INIZIALMENTE SCARICHE, SI
AVVICINANO ALLA SFERA K
ELETTRIZZATA
- -
K
- - -
---
M
MIGRAZIONE DI PARTE
DELLA CARICA DALLA SFERA K
Fase 3
- - - - - -
(F) E’ LA FORZA
REPULSIVA AGENTE
SU CIASCUNA DELLE
SFERETTE CARICHE
DEL PENDOLINO
F
F
FASE D
VISUALIZZAZIONE DI UN ALTRO FENOMENO ELETTROSTATICO
Si è collegata un’estremità di una catenella metallica con l’ago di supporto (AGO) (retto da un’asta
isolante verticale su treppiede) di un piccolo mulinello a tre punte e l’altra estremità della catenella
con una delle aste (AS1 o AS2) di cui è provvista la macchina di Whimshurst. Quando abbiamo
azionato la macchina (rotazione della manovella), si è potuto notare quanto segue. Il mulinello pian
piano ha iniziato a ruotare attorno al suo asse (o). La spiegazione è dovuta al potere delle punte. Il
mulinello a tre punte ha assunto la carica elettrica relativa all’asta (AS1 o AS2) a cui era collegato.
Gli ioni dell’aria di segno opposto sono stati attratti dalle tre punte del mulinello (potere delle
punte). Nell’impatto con le punte delle aste del mulinello si sono generane tre forze (F) non
equilibrate. Tali forze hanno prodotto un momento risultante (MOM) non nullo rispetto all’asse di
rotazione (o) del mulinello. Il mulinello pertanto ha cominciato a ruotare.
+ - ( IONI DELL’ARIA )
PIANTA
(o) + AS1 AS2 F +
- d
- + ++ -- - -
AGO -
(o)
+ MOM
CATENELLA METALLICA -
DIREZIONE AVVICINAMENTO IONI ARIA
F
MOM = 3 * F * d
-
-
+
F

CONSIDERAZIONI FINALI
OSSERVAZIONI
I fenomeni sopra riportati ed analizzati macroscopicamente hanno permesso a noi di interpretare
qualitativamente cosa accade a livello microscopico in un sistema elettrizzato. Questo ci ha dato
quindi la possibilità di elaborare alcuni modelli concettuali di tali fenomeni.
PRECAUZIONI
E’ necessario prestare molta attenzione nell’utilizzo della macchina di Whimshurst perché essa,
accumulando cariche elettriche, può causare per contatto con l’operatore lo scaricamento di carica
elettrica nel suo corpo. In gergo la corrente elettrica correlata a tale scaricamento è definita “scossa
elettrica”. Si raccomanda quindi all’operatore di prendere contatto con i soli elementi isolanti di cui
è provvista la macchina. Dopo l’uso è anche importante scaricare la macchina ponendo a contatto le
due sfere metalliche (A1 , A2). Come sopra illustrato tale scaricamento produrrà un onda luminosa
che è seguita da un’onda sonora.
DIFFICOLTA’ INCONTRATE
Nessuna.
TEMPO IMPIEGATO
Il tempo impiegato per svolgere l’esperienza è stato di circa 40 minuti.