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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.

1 Fenomeni elettrostatici

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)

2 Legge di Coulomb

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 εrε0, dove εr=ε/ε0

3 Il campo elettrico

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.

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1)
la costante dielettrica è detta anche permettività e si misura in [F/m]
2)
fenomeni analoghi si verificano con corpi che hanno massa e campi gravitazionali
3)
queste linee possono essere pensate anche come la traiettoria di una carica di prova libera di muoversi
4)
il campo esterno e quello prodotto dalla nuova distribuzione di carica si annullano a vicenda
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sezione_2a.txt · Ultima modifica: 2018/12/04 21:08 da admin