Elettrostatica 2 13 maggio 2011

1. Elettrostatica 213 maggio 2011 Elettrizzazione per strofinio. Tipi di cariche. Azioni tra cariche Conservazione della carica Struttura elettrica della materia Misura della carica. Unità di misura della carica Quantizzazione della carica Conduttori e isolanti. Induzione elettrostatica. Polarizzazione Elettrizzazione per induzione Elettroscopio Legge di Coulomb Principio di sovrapposizione

2. Elettrizzazione per contatto e strofinio. Tipi di cariche • Due corpi possono scambiarsi carica se messi a contatto • L’effetto e` maggiore se c’e` strofinio • Ambra (bachelite) – pelliccia • Vetro – seta • La carica non viene creata nel contatto o nello strofinio, ma trasferita da un oggetto all’altro • Sperimentalmente i corpi si possono classificare in due categorie: equivalenti all’ambra o al vetro • Convenzionalmente si è attribuita carica positiva al vetro e negativa all’ambra • Alcuni corpi mantengono la carica senza particolari accorgimenti, altri non devono essere manipolati direttamente (metalli, suolo, acqua, corpo umano)

3. Serie triboelettrica Zero charge Steel (No charge) Wood (Small negative charge) Lucite Amber Sealing wax Acrylic Polystyrene Rubber balloon Resins Hard rubber Nickel, Copper Sulfur Brass, Silver Gold, Platinum Acetate, Rayon Synthetic rubber Polyester Styrene (Styrofoam) Plastic wrap Polyurethane Polyethylene (like Scotch tape) Polypropylene Vinyl (PVC) Silicon Teflon Silicone rubber Ebonite Most negatively charged - • Most positively charged+ • Human skin • Leather • Rabbit's fur • Glass • Quartz • Mica • Human hair • Nylon • Wool • Lead • Cat's fur • Silk • Aluminum Paper (Small positive charge) • Cotton (No charge) • Zero charge

4. Generatori triboelettrici • I primi generatori di elettricita` si basavano sul questo fenomeno • Von Guericke: sfera di zolfo • Hawksbee e Winkler: sfera di vetro • Caratterizzati da alte tensioni

5. Azioni fra cariche • Corpi di carica omonima si respingono • Corpi di carica eteronima si attraggono • Leggi la cui validità è tratta dall’esperimento

6. Conservazione della carica totale • La carica non viene creata nello strofinio, ma trasferita da un oggetto all’altro: il bilancio è zero • Quantisticamente la carica può venire creata, ma solo in egual quantità positiva e negativa, di modo che la carica netta è sempre zero

7. Struttura elettrica della materia • Modernamente si è scoperto che la materia ordinaria è costituita da molecole e atomi elettricamente neutri • Un atomo è costituito da un nucleo centrale carico positivamente e una ‘nube’ di elettroni carichi negativamente che lo circondano • Un nucleo è costituito da protoni di carica +e e neutroni neutri • Un elettrone ha carica -e

8. Dimensioni fisiche della caricaUnità di misura • Nel SI la carica non è una grandezza fondamentale, ma è definita in termini di intensità di corrente • L’unità di misura è il coulomb (C), definito in termini di ampere.

9. Quantizzazione della carica. Relazione tra C ed e • Millikan provò che in natura la carica è sempre un multiplo di un’unità fondamentale che è e. • La relazione tra Coulomb e carica elementare è:

10. Conduttori e isolanti • Distribuzione della carica in un corpo (solido): i nuclei atomici sono ‘fissi’, circondati dagli elettroni più interni (pure ‘fissi’) • Gli elettroni più esterni possono essere ‘fissi’ anch’essi oppure liberi di muoversi all’interno del corpo • Nel primo caso avremo un isolante, nel secondo un conduttore

11. Induzione e polarizzazione (elettrostatiche) • Entrambi i fenomeni sono dovuti all’azione tra cariche • L’induzione si presenta con i conduttori: l’attrazione di cariche di segno opposto e la repulsione di cariche dello stesso segno si traduce in uno spostamento macroscopico degli elettroni nel corpo e quindi una separazione macroscopica di carica • La polarizzazione si presenta con gli isolanti: l’attrazione e la repulsione si traducono in uno spostamento microscopico delle cariche all’interno di ogni atomo. Si ottiene anche in questo caso una separazione macroscopica di carica

12. Elettrizzazione per induzione • Due oggetti metallici in contatto • Una bacchetta carica • Si avvicina la bacchetta ai due oggetti • Per induzione la carica dei due oggetti si ridistribuisce: • l’oggetto più vicino avrà più carica di segno opposto a quella della bacchetta • L’oggetto più lontano avrà più carica di segno uguale • Si separano i due oggetti che ora avranno cariche di segno opposto

13. Elettrizzazione per induzione ++++ ++++ + + + - - - ++++ - - - ++++ + + + - - - + + +

14. Elettroscopio • Primo esempio di strumento elettrico • Serve a evidenziare la presenza di carica elettrica

15. Legge di Coulomb • Rende quantitativa l’azione tra cariche puntiformi • Studiata sperimentalmente mediante una bilancia di torsione

16. Legge di Coulomb 2 • L’azione viene chiamata ora forza: • È repulsiva per cariche omonime • È attrattiva per cariche eteronime • È diretta lungo la congiungente delle cariche • È proporzionale al prodotto delle cariche • È inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra le cariche • F2(1) è la forzacon cui la carica 1 agisce sulla carica 2 e r12 è il versore rivolto da 1 a 2 • I primi due punti sono garantiti dal prodotto delle cariche per il versore r12 1

17. Legge di Coulomb • C’è perfetta simmetria tra le cariche: la forza F1(2) è uguale in modulo e opposta in verso • Costante positiva • La costante è detta permettività (o costante dielettrica) del vuoto

18. Principio di sovrapposizione delle forze elettriche • La forza tra due cariche non dipende dalla presenza di altre cariche: gli effetti di tutte le cariche si sovrappongono in modo indipendente • La forza totale agente sulla carica 0 è la somma (vettoriale) delle forze con cui ognuna delle restanti n cariche agisce su di essa: • La validità del principio è una verità sperimentale

19. Esercizi sulla legge di Coulomb • Forza totale di due cariche uguali in modulo e segno • Sul piano di simmetria • Sull’asse che le congiunge • Forza totale di due cariche uguali in modulo e segno opposto • Sul piano di simmetria • Sull’asse che le congiunge