2A - L'elettrostatica

L'argomento dell'elettrostatica, già trattato nel biennio in Fisica e Scienze e Tecnologie Applicate, è utile per introdurre quello più importante dei condensatori. In questa pagina si farà solo un breve ripasso per passare rapidamente al capitolo successivo.

Si distingue tra:

• elettrostatica, dove non ci sono cariche in movimento e i fenomeni sono puramente elettrici
• elettrodinamica, dove ci sono cariche in movimento e i fenomeni sono elettrici e magnetici

La materia è fatta di atomi; negli atomi ci sono particelle con carica positiva (protoni) e negativa (elettroni); vedi appunti sul primo capitolo. Corpi con carica opposta si attraggono, corpi con carica dello stesso segno si respingono (fig. 1).

Un corpo acquista carica:

• per strofinio (è l'Effetto_triboelettrico che produce piccole scariche quando si toglie un maglione, si tocca la portiera di un'auto, ecc.)
• per contatto (nei conduttori gli elettroni si muovono tra due corpi)
• per induzione (gli atomi si polarizzano in modo da presentare una carica di segno opposto ai loro estremi)

Due corpi che possiedono carica interagiscono con un fenomeno elettrostatico con delle forze di attrazione o repulsione (in base al segno delle due cariche). Le forze, che sono uguali in modulo e agiscono lungo la direzione che unisce i due corpi, si calcolano con la legge di Coulomb:

`F = 1/(4 pi epsilon) (Q_1 Q_2)/r^2 [N]`

dove Q₁ e Q₂ sono le due cariche (espresse in Coulomb), r è la distanza tra i due corpi e ε è la costante dielettrica¹⁾ del materiale che circonda i due corpi, che indica quanto in materiale è in grado di polarizzarsi se sottoposto ad un campo elettrico.

Osservazioni:

• la polarizzazione fa sì che gli atomi presentino una carica positiva da un lato e negativa dall'altro
• i materiali in grado di polarizzarsi sono gli isolanti (dielettrico e isolante non sono sinonimi; isolante significa che non conduce corrente)
• la costante dielettrica del vuoto è indicata con ε₀; quella degli altri dielettrici si può esprimere come ε_rε₀, dove ε_r=ε/ε₀

Un corpo che possiede carica può interagire con altri corpi carichi con forze di attrazione e repulsione. La regione dello spazio dove possono manifestarsi questi fenomeni è caratterizzata da un campo di forze generato dal corpo carico detto campo elettrico²⁾. Il campo elettrico non è solo lo spazio dove avvengono questi fenomeni ma anche una grandezza vettoriale che esrpime la forza che agisce su una carica di prova, positiva e unitaria, dovuta al corpo carico:

`E = F/q [V/m]`

Il campo elettrico si rappresenta con delle linee di forza che indicano punto per punto direzione e verso del campo elettrico³⁾. Rappresentarle ci fornisce informazioni anche sull'intensità del campo elettrico: dove sono più fitte il campo è più intenso.

Il campo elettrico è in grado di modificare la distribuzione di carica nei corpi; questo fenomeno, detto induzione elettrostatica, si manifesta in modo diverso nei corpi conduttori e in quelli isolanti.

Nei corpi conduttori il campo elettrico produce uno spostamento di cariche (elettroni) al loro interno; all'equilibrio si avrà un accumulo di cariche negative su un lato e di cariche positive sull'altro mentre il campo elettrico all'interno viene annullato grazie a questa nuova distribuzione di carica⁴⁾. In generale il campo elettrico all'interno di un conduttore (anche se cavo) è sempre nullo; questo fenomeno è sfruttato per schermare i segnali dai disturbi dovuti ai campi elettrici e magnetici - ad esempio nei cavi coassiali schermati (TV, BNC), negli sportelli dei forni a microonde - e per proteggere cose e persone dalle scariche elettriche (ad esempio con la gabbia di Faraday).

Nei corpi isolanti il campo elettrico non è in grado di spostare cariche ma polarizza i singoli atomi in modo da produrre comunque una concentrazione di cariche positive su un lato e negative sull'altro.

Nei condensatori il campo elettrico sarà prodotto da due superfici parallele che presentano carica opposta. Questa configurazione è particolarmente semplice perché il campo è tutto confinato tra le due armature (esternamente i contributi delle due superfici si annullano) ed è uniforme, cioè uguale in tutti i punti dello spazio.

Torna all'indice.