Didascalia alternativa:

Thomson scoprì l'elettrone, una particella di massa molto piccola (= 10 kg) che ha carica negativa. In seguito si comprese che tutti gli atomi contengono 2 tipi di particelle cariche gli elettroni, con carica negativa, (-) • i protoni, con carica positiva. (+). -> Poiché la carica di un protone controbilancia esattamente la carica di un elettrone, ogni atomo, avendo lo stesso numero di protoni e di elettroni, è neutro, cioè ha carica elettrica uguale a zero. -> solitamente i corpi sono neutri, perché sono costituiti da tanti "grani" (gli atomi) neutri. Quando un corpo è carico, significa che c'è uno squilibrio tra il numero di protoni e di elettroni. un corpo è negativo quando ha più elettroniche protoni un corpo (-) ha un eccesso di elettroni un corpo e' positivo quando ha meno elettroni che protoni un corpo (+) ha una mancanza di elettroni Quindi un corpo carico contiene sia cariche positive sia negative: però soltanto gli elettroni, essendo 2mila volte più leggeri dei protoni, sono mobilie possono trasferirsi da un corpo all'altro. Che cosa succede, a livello microscopico, durante lo strofinio? Strofinando il vetro con la lana, degli elettroni passano dal vetro alla lana. panno di lana vetro Il panno, che ora ha più elettroni di Il vetro, che invece ha perso degli prima è carico negativamente elettroni, è carico positivamente. B negativo : La carica totale è rimasta sempre la stessa prima dello strofinio c'era equilibrio, ed entrambi (sia il vetro che la lana) erano neutri, dopo, c'è un eccesso di elettroni nel panno e una loro carenza nel vetro, per cui i due corpi sono elettrizzati. Quindi —> in un sistema che non scambia materia con l'esterno, la carica elettrica complessivamente si conserva. i conduttori e gli isolanti Prendiamo in mano un cucchiaio di Poi impugniamo il cucchiaio con metallo e lo strofiniamo con un panno di lana. un guanto di plastica e ripetiamo il processo di strofinio. positivo Osserviamo che il cucchiaio non attrae Osserviamo che il cucchiaio si i pezzettini. elettrizza e attrae i pezzi di carta: ATTENZIONE: Un oggetto di plastica, gomma o vetro si carica per strofinio. Invece, se strofiniamo con un panno un oggetto di metallo, non sempre riusciamo a elettrizzarlo. Questo esperimento ci dice che tutti gli oggetti si possono caricare per strofinio, ma alcuni, in particolare circostanze, non sono in grado di trattenere la carica elettrica per esempio, gli oggetti di metallo perdono quest'ultima quando sono a contatto con le mani nude. Le sostanze che si caricano sempre quando sono strofinate, si chiamano isolanti elettrici. Le sostanze che si comportano in modo diverso, si dicono conduttori elettrici. ATTENZIONE! Questa distinzione NON è assoluta: tutte le sostanze possono essere ordinate secondo la capacità di trattenere, o di lasciare fluire, le cariche elettriche. Esistono quindi sostanze più o meno conduttrici oppure più o meno isolanti. es. →la PLASTICA e il VETRO sono ottimi isolanti, mentre, i METALLI, in particolare il rame e l'argento, sono ottimi conduttori. il modello microscopico Gli esperimenti di strofinio possono essere spiegati facendo queste ipotesi Negli isolanti tutte le cariche occupano delle posizioni fisse e non possono spostarsi: nei conduttori invece, vi sono cariche elettriche che si muovono liberamente. Per esempio, nei conduttori metallici si trovano degli elettroni liberi, che si spostano con facilità da un atomo all'altro. In un isolante, invece, gli elettroni sono molto legati ai protoni dell'atomo e difficilmente se ne allontanano. Perché durante lo strofinio gli elettroni passano dal panno al cucchiaio, poi arrivano a terra attraverso il nostro corpo, che è un conduttore. Usando i guanti di plastica invece, gli elettroni si fermano nel cucchiaio, perché sono bloccati dalla plastica, che è un materiale isolante. Quindi, quando teniamo in mano il cucchiaio senza guanti, gli elettroni transitano nel cucchiaio e non si accumulano elettrinzandolo. Perché, secondo questo modello microscopico, il cucchiaio di metallo non si elettrizza quando lo impugniamo con le mani nude? ELETTRIZZAZIONE PER CONTATTO abbiamo un primo conduttore carico, che impugniamo con un manico isolante ed un secondo conduttore neutro isolante- manico isolante conduttore mettendoli a contatto, parte della carica del primo passa sul secondo. Ora anch'esso è carico. asta conduttrice All'inizio il primo conduttore era negativo.. Pertanto questo esperimento mette in luce che i conduttori possono essere elettrizzati per contatto. perché aveva un eccesso di elettroni. Una parte di questi elettroni sono fluiti nel secondo conduttore, che a sua volta è diventato negativo. L'elettroscopio è uno strumento che serve per sapere se un oggetto è carico. È formato da un'asta metallica verticale, con in alto una sferetta conduttrice e in basso due foglie conduttori molto sottili. Il tutto è contenuto in un recipiente di vetro che serve da protezione e da sostegno. ( se si tocca la sferetta con un oggetto neutro, non succede nulla) sfera conduttrice foglie conduttrici invece se si tocca la sferetta con un oggetto elettrizzato, parte della carica passa all' asta e così si distribuisce in tutto il dispositivo fino alle foglioline. Le foglioline risultano cariche dello stesso segno e si respingono. Così la loro divaricazione attesta che l'oggetto in esame è elettricamente carico. Un oggetto è carico se, messo a contatto con l'elet troscopio, fa divaricare le sue foglie. La misurazione della carica elettrica Per misurare la carica elettrica: 1) si sceglie una carica come unità di misura 2) poi si tara l'elettroscopio con una scala che misuri le divaricazioni delle foglioline. L'elettroscopio permette di confrontare due cariche elettriche, per sapere quale delle due è più grande prendiamo due sferette conduttrici uguali, che abbiamo caricato per contatto prima Tocchiamo l'asta dell'elettroscopio con la sferetta A e osserviamo la divaricazione delle foglioline. Scarichiamo l'elettroscopio (es. toccando la sfera con la mano) in modo da riportarlo nella sua condizione iniziale. Ora poniamo l'elettroscopio a contatto con la sferetta Be osserviamo di nuovo l'angolo formato dalle due foglioline. Poiché nel secondo caso le foglie sono più divaricate, diciamo che la sfera B ha più carica della sfera A. -> Se gli angoli formati delle foglioline sono uguali, anche le cariche se le due sterette sono uguali. Altrimenti i le cariche sono diverse ed e maggiore la carica che fa divaricare di più le foglie il coulomb . Definiamo il coulomb a partire dalla carica dell'elettrone. - Tutti gli elettroni dell'Universo hanno la stessa carica (negativa) - il cui valore numerico è -e=-1.6021 x 10°C. -19 1 per ottenere una carica negativa - 1 C occorrono quindi 1,6021 × 10-19 Nel Sistema Internazionale l'unità di misura della carica elettrica è il coulomb (C), dal nome dello scienziato francese charles Augustin coulomb = 6,2418 × 1018 elettroni Finora non è mai stata osservata nessuna carica più piccola di quella dell'elettrone pertanto tutte le particelle elementari conosciute hanno una carica che è un multiplo della carica elettrica elementare e = 1,6021 x 10 C -19 La legge di Coulomb Consideriamo due oggetti cosi piccoli (rispetto alla distanza r che li separa) da poter essere considerati puntiformi. Indichiamo con Q1 e con Q2 le cariche elettriche che si trovano su di essi. Ciascuno dei due oggetti risente di una forza elettrica dovuta alle presenza dell'altro. La LEGGE DI COULOMB, che è stata trovata sperimentalmente, stabilisce che -il valore della forza elettrica che si esercita tra due oggetti carichi è direttamente proporzionale a ciascuna carica, inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza. Forza di Coulomb (N) distanza (m) F = Ko Q r 22 costante di proporzionalità (Nm/C). prima carica (C) seconda carica (C) Se le cariche sono nel vuoto, la costante di proporzionalità KO vale = 8,854 × 10-12 N·m² Nell'aria la costante ha circa lo stesso valore, se invece le cariche sono in un materiale isolante, la costante (e quindi la forza) è più piccola per esempio, nell'acqua distillata la costante e 1/80 di quella nel vuoto. La direzione della forza elettrica è quella della retta che congiunge le due cariche puntiformi il verso invece dipende dal segno delle cariche è repulsivo se le cariche hanno lo stesso segno e attrattivo se hanno segni opposti. MANTENENDO FISSA LA DISTANZA r se una delle cariche raddoppia, la forza elettrica raddoppia: se anche l'altra carica raddoppia, la forza diventa quattro volte più grande. MANTENENDO FISSE LE CARICHE se la distanza raddoppia, la forza diventa quattro (= 2²) volte più piccola. se la distanza si riduce di quattro volte la forza diventa sedici (= 4¹) volte più grande. la forza elettrica e la forza gravitazionale La forza elettrica tra due cariche assomiglia alla forza gravitazionale tra due masse = F = G Le due forze sono simili perché: 1. agiscono a distanza (e non a contatto); 2. diminuiscono in modo inversamente proporzionale al quadrato della distanza 3. sono direttamente proporzionali a una grandezza (la massa o la carica). Tuttavia le due forze sono diverse perché 1. la forza gravitazionale è solo attrattiva, quella elettrica è attrattiva o repulsiva. 2. la forza gravitazionale agisce tra qualsiasi coppia di corpi, mentre la forza elettrica agisce solo tra corpi carichi Se due corpi sono neutri, si attraggono perché hanno una massa, ma non subiscono forze elettriche perchè non hanno carica. m₁m₂ d² L'ELETTRIZZAZIONE PER INDUZIONE Se avviciniamo una bacchetta elettrizzata a una pallina di metallo scarica, appesa a un filo isolante, osserviamo che la bacchetta attrae la pallina.. plastica 2. Di conseguenza, la superficie della sfera vicina alla bacchetta diventa positiva (mancano elettroni), mentre la superficie lontana diventa negativa (ci sono elettroni in più). 3. Per la legge di Coulomb, l'attrazione tra cariche vicine è sfera di metallo, maggiore della repulsione tra cariche lontane quindi la sfera scarica è attratta verso la bacchetta. La ragione per cui un corpo carico attrae uno scarico sta nella legge di Coulomb, secondo la quale la forza elettrica diminuisce rapidamente con l'aumentare della distanza. Nel complesso il conduttore è ancora neutro, ma la carica non è più distribuita in modo uniforme. - si chiama induzione elettrostatica la redistribuzione di carica in un conduttore neutro, causata dalla vicinanza di un corpo carico. Mediante l'INDUZIONE ELETTROSTATICA è possibile caricare un conduttore neutro. Se si tocca la sfera con un dito. mantenendo vicino la bacchetta elettrizzata. gh elettroni si allontanano attraverso il nostro corpo, che è un conduttore. 1. La bacchetta di plastica, carica negativamente, respinge gli elettroni che sono liberi di muoversi dentro la stera conduttrice. penna Dopo aver tolto il dito e avere allontanato la bacchetta elettrizzata, la sfera rimane carica positivamente, perché mancano elettroni B Gli elettroni, attraverso il nostro corpo, finiscono al suolo, che è conduttore capace di accumulare carica elettrica in grande quantità Mettere a terra un conduttore significa collegarlo al suolo mediante un altro conduttore (per esempio, il nostro corpo o un filo metallico), che consente il passaggio delle cariche. carta La polarizazzione In un isolante gli elettroni non sono liberi di muoversi. Tuttavia, se avviciniamo un oggetto carico a un isolante, gli elettroni non si staccano dalle loro molecole, ma si spostano di poco in modo da creare una piccola, ma diffusa ridistribuzione di carica. Per la legge di Coulomb la trazione prevale sulla repulsione pezzettini di carta sono attratti dalla penna-Si chiama polarizzazione la ridistribuzione di carica nelle molecole di un isolante neutro, causata dalla vicinanza di un corpo carico.