L’elettricità statica

Il periodo che va da maggio ad ottobre nel mio lavoro risulta abbastanza “impegnativo” e quindi su questo blog mi dedico ad argomenti più leggeri, che in genere scrivo la mattina e la sera quando sono sul bus che compie il tratto casa-lavoro (un’oretta circa).

Ora, oltre ad avere un po’ di tempo libero in più nel weekend, sono anche influenzato, quindi ho pensato di riprendere da dove avevo lasciato il “Libro di Fisica”, ripartendo da dove avevo sospeso, e cioè dall’argomento successivo a “La luce – Ottica”, trattato nel marzo scorso: l’elettrostatica, che è quella parte dell’elettromagnetismo che studia le cariche elettriche stazionarie nel tempo, generatrici del campo elettrico.

Partiamo, come sempre, dalle definizioni. Perché si dice elettricità?

Gli antichi ci accorsero che una resina fossile, prodotta da vari tipi di piante, come pini, larici, abeti, sequoie, dopo essere stata strofinata, acquisiva la proprietà di attrarre piccoli corpi molto leggeri, come piume, pagliuzze, fili. Quella resina si chiama ambra, in greco antico ἤλεκτρον, elektron.

Cosa accade nella realtà? Perché l’ambra, strofinata (ma non solo l’ambra, tant’è vero che uno dei primi esperimenti che si fanno a scuola riguardano proprio l’elettrostatica e si usano altre cose) attrae oggetti?

Come sappiamo, ogni atomo è formato da un nucleo, composto da protoni e neutroni, dotato di carica positiva e dagli elettroni carichi negativamente, che gli “ruotano”, per così dire, attorno. Normalmente in un atomo la carica positiva del nucleo e quella negativa degli elettroni risultano esattamente uguali e contrarie e l’atomo tende ad essere elettricamente neutro.

Ma un atomo, come sappiamo, può assorbire o rilasciare elettroni: poiché l’elettrone è portatore di carica negativa, diciamo che se un atomo assorbe un elettrone, diventa elettricamente negativo; se lo espelle, diventa elettricamente positivo.

Quando si strofina una bacchetta di ambra con un panno di lana, alcuni elettroni, che sono le particelle libere di muoversi, passano dal panno alla bacchetta. La bacchetta di ambra, che acquista elettroni, si carica negativamente e il panno, che perde elettroni, si carica positivamente. Dunque quando si strofinano due corpi, uno si elettrizza positivamente e uno negativamente.

Se invece di una bacchetta di ambra si usa una bacchetta di vetro, il passaggio avviene al contrario e gli elettroni lasciano la bacchetta di vetro per andare sul panno. Il fenomeno elettrico che consiste nel trasferimento di cariche elettriche, e quindi nella generazione di una tensione, tra materiali diversi (di cui almeno uno isolante) quando vengono strofinati tra di loro, si chiama effetto triboelettrico, dal greco τρίβω, tribo, che significa attrito.

Esistono quindi due tipi di stati elettrici (o cariche): + positivo, come quello che assume il vetro elettrizzato; – negativo, come quello che assume l’ambra. Cariche dello stesso segno si respingono, mentre cariche di segno opposto si attraggono.

Guardate la tabella che segue:

scala triboelettrica

Un materiale in cima alla tabella tende a cedere elettroni (e caricarsi positivamente). Quelli vicini al fondo tendono ad accettare elettroni e caricarsi negativamente. Maggiore è la distanza nella tabella e maggiore è l’intensità della carica generata. Quindi ecco ciò che accade quando ci pettiniamo e i capelli si elettrizzano!

L’elettrizzazione di un corpo si può ottenere però con tre metodi differenti:

  • per strofinio, come detto;
  • per contatto (elettrizzazione permanente).
  • per induzione (elettrizzazione temporanea);

L’unità di misura della carica elettrica è il Coulomb (C), dal nome del fisico francese Charles Augustin de Coulomb (1736-1806), che scoprì la legge fondamentale dell’elettrostatica, nota appunto come Legge di Coulomb.

Rispetto alle cariche elettriche i materiali non si comportano tutti allo stesso modo e si dividono in conduttori e isolanti. Materiali come i metalli, l’acqua (non deionizzata) e lo stesso corpo umano, in cui le cariche prodotte si muovono liberamente, si dicono conduttori, cioè che si lascino attraversare dalle scariche elettriche. La plastica, la gomma, il vetro, il legno, la porcellana si dicono, invece, isolanti, perché le cariche elettriche non li riescono ad attraversare. Si può dire che l’isolante è impermeabile alle scariche elettriche e il conduttore è permeabile a esse.

Gli esperimenti effettuati agli albori delle scoperte sull’elettrostatica mostrarono che era possibile accumulare gradualmente un’ingente carica elettrica in un conduttore, se lo si isolava, in modo che non perdesse elettricità, con del vetro o con uno strato di aria. La più famosa apparecchiatura di questo genere fu la “bottiglia di Leida”, ideata nel 1745 dallo studioso tedesco Ewald Georg von Kleist, ma utilizzata in pratica per la prima volta all’Università di Leida, in Olanda, dove fu costruita indipendentemente qualche mese dopo dallo studioso olandese Pieter van Musschenbroek. La bottiglia di Leida è ciò che oggi viene chiamato un “condensatore”, cioè un sistema formato da due superfici conduttrici, separate da un piccolo spessore di un isolante, entro cui si può immagazzinare una certa quantità di carica elettrica.

Nel caso della bottiglia di Leida la carica si accumula su un foglio di stagnola che riveste le pareti di una bottiglia di vetro; una catenella di ottone che passa attraverso il tappo entra in contatto con la stagnola; se si tocca la bottiglia carica, si avverte una forte scossa elettrica. La bottiglia di Leida può produrre anche una scintilla. Naturalmente, al crescere della carica accumulata su un corpo, cresce anche la sua tendenza a sfuggirne.

La forza che fa passare gli elettroni dalla regione dove più sono in eccesso (il “polo negativo”) a quella dove maggiormente difettano (il “polo positivo”) è detta “forza elettromotrice” (fem) o “potenziale elettrico”. Se il potenziale diventa abbastanza elevato, gli elettroni finiranno per oltrepassare l’intervallo isolante o l’aria tra i due poli, producendo una scintilla vivida e un rumore crepitante. La luce della scintilla è dovuta alla radiazione creata dalle collisioni di innumerevoli elettroni con le molecole dell’aria, e il rumore è dovuto all’espansione  dell’aria bruscamente riscaldata,  seguita dall’irruzione di aria più fredda nel parziale vuoto prodottosi momentaneamente.

Era naturale a quel punto chiedersi se fulmine e tuono fossero l’analogo, su larga scala, del fenomeno che avviene nella bottiglia di Leida. Uno studioso inglese, William Wall, aveva suggerito appunto questo, già nel 1708.

Ciò bastò a indurre Benjamin Franklin a effettuare il suo famoso esperimento del 1752. Egli fece volare, durante un temporale, un aquilone munito di una punta metallica alla quale aveva attaccato un filo di seta in grado di condurre l’elettricità dai nembi temporaleschi fino a terra; quando Franklin avvicinò la mano a una chiave metallica legata al filo di seta, scoccò una scintilla.

Franklin lasciò che la chiave si caricasse nuovamente e la usò poi per caricare una bottiglia di Leida, con risultati analoghi a quelli ottenuti caricandola con qualsiasi altro sistema. Franklin aveva così dimostrato che le nubi temporalesche sono cariche di elettricità, e che tuono e fulmine sono prodotti effettivamente da una sorta di bottiglia di Leida atmosferica, nella quale le nubi costituiscono un polo e la terra l’altro.

L’aspetto più fortunato di questo esperimento, dal punto di vista personale di Franklin, fu il fatto di esservi sopravvissuto; altri, infatti, che provarono a ripeterlo, vi persero la vita, perché la carica indotta sul puntale metallico dell’aquilone si accumulava fino a produrre una scarica tanto intensa da risultare letale all’uomo che teneva in mano il filo di seta.

Franklin applicò subito nella pratica questo progresso della teoria, ideando il “parafulmine”, una semplice asta di ferro da collocarsi nel punto più alto di un edificio e da collegarsi a terra mediante fili metallici. Il puntale aguzzo sottraeva cariche elettriche dalle nubi, come Franklin dimostrò sperimentalmente; e se cadeva un fulmine, la scarica veniva condotta a terra senza che facesse danni.

I danni causati dai fulmini diminuirono drasticamente allorché i parafulmini si diffusero in Europa e nelle colonie americane, risultato non da poco. Tuttavia ogni anno nel mondo almeno 1000 persone vengono uccise dai fulmini e diverse altre migliaia riportano lesioni gravi. Ciò avviene prevalentemente nei paesi in via di sviluppo, Sud Africa, India, Nepal e Bangladesh, che detengono il maggior numero di decessi con una media di 150-200 vittime all’anno ma non si scherza anche nei paesi industrializzati: negli Stati Uniti ad esempio ogni anno circa 50 persone perdono la vita perché colpite da fulmini; in Italia circa 10/15 ogni anno.

Grazie all’elettrizzante (scusate il gioco di parole) opera di Franklin, la ricerca sull’elettricità fece poi passi da gigante. Nel 1785 il fisico francese Charles Augustin de  Coulomb effettuò misurazioni quantitative sull’attrazione e la repulsione elettriche, mostrando che esse erano inversamente proporzionali al quadrato della distanza fra le cariche interessate.

Sotto questo aspetto vi è un’analogia tra l’attrazione elettrica e  l’attrazione gravitazionale, che approfondiremo nelle prossime puntate.

5 pensieri riguardo “L’elettricità statica

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