ESPERIENZE ELEMENTARI DI ELETTROSTATICA

ESPERIENZE ELEMENTARI DI ELETTROSTATICA
Attrazione e repulsione tra corpi elettrizzati – carica elettrica
Obiettivi dell’esercitazione:
Scoprire le interazioni elettriche tra corpi elettrizzati.
Materiali:
2 bacchette trasparenti di plexiglas e 2 bacchette scure di PVC; sostegno con gancio e panno di
seta per il plexiglas e panno di lana per il PVC.
Esercitazione
Avvicinate una bacchetta chiara e poi una bacchetta scura a piccoli pezzetti di carta posti sul
tavolo. Notate qualcosa? .................................................................................................
Ripetete l’operazione, dopo aver strofinato le estremita’ delle due bacchette con il rispettivo panno.
Cosa notate? ........................................................................................................................................
Strofinate una delle 2 bacchette con il panno e avvicinatela ad un piccolo getto d'acqua che scorre
dal rubinetto del vostro laboratorio.
Che cosa notate?............................................................................................................................
Diciamo che le bacchette - inizialmente neutre - nello strofinio si sono elettrizzate ovvero hanno
acquistato una carica elettrica.
Ponete ora la bacchetta di PVC, strofinata, nel gancio del sostegno e avvicinate alla sua estremità
una bacchetta di PVC strofinata.
Che tipo di interazione si esercita tra le due bacchette di PVC elettrizzate?
...........................................................................................................................................................
Che tipo di interazione si esercita tra la bacchetta di PVC e quella di plexiglas?
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Che tipo di interazione si esercita tra 2 bacchette di plexiglas?
...........................................................................................................................................................
Copleta ora la tabella inserendo una crocetta nella colonna corretta.
Attrazione
Repulsione
PVC-PVC
PVC-plexiglas o plexiglas-PVC
plexiglas-plexiglas
Avvicinate alla bacchetta PVC elettrizzata sul sostegno un’altra bacchetta di PVC elettrizzata,
facendo man mano diminuire la distanza tra i due corpi.
L’interazione e’ piu’ intensa quando i corpi elettrizzati sono più vicini o quando sono più lontani?
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Per un convenzione che risale a Franklin,tutti i materiali come il vetro e il plexiglas, strofinati con
un panno di seta assumono una carica positiva ( la seta una carica negativa), mentre tutti i materiali
come l'ambra e e il PVC , strofinati con un panno di lana assumono una carica elettrica negativa
(il panno di lana una carica positiva).
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Elettroscopio a foglie
Obiettivi dell’esercitazione:
comprendere il funzionamento di un elettroscopio
comprendere l'elettrizzazione per contatto
comprendere la differenza tra conduttori e isolanti
Materiale
elettroscopio a foglie storico, elettroscopio di Kolbe, 2 sferette metalliche di diverso diametro,
foglio di alluminio e penna , manico di plastica, gommapiuma
Osservazione dell'elettroscopio storico
Si tratta di uno strumento costituito da un' asta …................... verticale,
con in alto una ….......... conduttrice e in basso due …........................,
di alluminio o d'oro.
Le foglioline sono racchiuse per protezione in
….................................che serve anche da sostegno.
Esso è utilizzato per per sapere se un oggetto è ….........................
Fai uno schizzo dell'elettroscopio a foglie.
Osservazione dell'elettroscopio di Kolbe
Trova le analogie e le differenze tra l'elettroscopio di Kolbe e
l'elettroscopio a foglie...............................................................
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.........................................................................
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....................................................................
...................................................................................
...................................................................................
................................................
Tocca ora il la sfera metallica con una bacchetta di PVC carica.
La …................elettrica passa nell'elettroscopio per …................ e si ….........................................
uniformemente sulla parte interna metallica . Fai uno schizzo.
Le foglioline............................ perchè cariche ….............. si respingono.
Tocca ora con la mano la sferetta. La carica elettrica si ….............. a terra attraverso il tuo ….........
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Esercitazione
Inserisci una sfera metallica nel suo manico di plastica, carica l'elettroscopio di Kolbe con il
piezoelettrico fino a raggiungere la posizione 4 dell'indice sulla scala graduata. Poni a contatto la
sfera della bacchetta neutra con quella carica dell'elettroscopio.
Che cosa noti?
…..................................................................................................................................................
Di quanto si abbassa l'indice sulla scala graduata?
…...............................................................................................
Riporta l'indice alla posizione 4 e tocca l'elettroscopio con una sfera più grande inserita nel suo
supporto isolante .
Che cosa noti?
…..................................................................................................................................................
Di quanto si abbassa l'indice sulla scala graduata?
…...............................................................................................
Parte della carica elettrica è passata per …................., dall'elettroscopio alla bacchetta metallica
che si è …................................
Prova ora a toccare, per un istante, con una bacchetta di plastica neutra la sferetta carica
dell'elettroscopio.
Di quanto si abbassa l'indice sulla scala graduata?
…...............................................................................................
Interpretazione dei risultati
L'esperimento evidenzia il diverso comportamento dei metalli e della plastica (in generale degli
isolanti).Nei metalli la carica elettrica prodotta in una si distribuisce per contatto in tutto il corpo,
mentre negli isolanti rimane localizzata nel punto di contatto tra il corpo carico e l'isolante.
Inoltre si è notato che una sfera A cede ad una sfera B inizialmente neutra una carica che dipende
dal rapporto tra i raggi delle 2 sfere.
Se i raggi delle 2 sfere sono uguali ovviamente il corpo A cede al corpo B metà della sua carica, se
invece la sfera B ha diametro maggiore della sfera A, A cede a B una quantità di carica superiore a
quella che le rimane.
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Induzione elettrostatica
Obiettivi dell’esercitazione:
Scoprire che cosa è l’induzione elettrostatica.
Materiali:
1 bacchetta di plastica, panno di lana, elettroscopio di Kolbe, con sferetta metallica bicchiere di faraday
per elettroscopio, 2 elettroscopi a foglie con cilindro metallico.
Esercitazione
Avvicinate, senza che avvenga il contatto, una bacchetta di plastica elettrizzata per strofinio al
pomo di un elettroscopio scarico.
Cosa osservate? .................................................................................................................................
Allontanate ora la bacchetta di plastica dall’elettrometro.
Cosa osservate? ..................................................................................................................................
Come interpretate questo fenomeno? Tenete presente che l’aria e’ un isolante - solo in presenza di
cariche molto grandi si puo’ avere un passaggio di cariche attraverso l’aria e, in questo caso(v.
l’esempio del fulmine) viene evidenziato da una scintilla.
..........................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................
Questo fenomeno prende il nome di induzione elettrostatica.
Il corpo elettrizzato che produce il fenomeno viene detto induttore e il conduttore che lo subisce
indotto.
La divergenza dell’ago e’ maggiore quando l’induttore e’ piu’ vicino o quando e’ piu’
lontano? .................................................................................................................................................
....
Se non riuscite a interpretare il fenomeno eseguite l’esperimento che segue.
Ponete vicini 2 elettroscopi a foglie d’oro aventi nella parte superiore un cilindro metallico al posto
della solita sferetta.
Unite i 2 elettroscopi in modo che i 2 cilindri siano a contatto.
Avvicinate un corpo elettrizzato (induttore) a uno dei due cilindri, di lato ad esso.
Cosa notate? ..................................................................................................................................
Anche in questo caso si ha il fenomeno dell’induzione elettrostatica.
Che avviene allontanando l’induttore? ...........................................................................................
Ora allontanate i due elettroscopi in presenza dell’induttore.
Cosa osservate? ..............................................................................................................................
Cosa succede facendo toccare i due cilindri degli elettroscopi? .......................................................
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......................................................................................................................................................
Le cariche acquistate per induzione dai due elettroscopi erano:
� di segno uguale
� di segno opposto (barrare la casella della risposta giusta)
Sai interpretare ora il fenomeno dell’induzione elettrostatica osservato nella fase precedente? Cosa
avviene in un conduttore neutro, quando ad esso si avvicina (senza toccarlo) un corpo elettrizzato
(induttore)?........................................................................................................................................
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Elettroforo di volta
Obiettivi dell’esercitazione:
Conoscere le applicazioni dell'induzione elettrostatica.
Conoscere il funzionamento dell'elettroforo di volta
Materiali:
Base di plastica, elettroforo (piastra metallica rotonda con manico isolante), panno di lana, elettroscopio
di Kolbe con sferetta metallica.
Esecuzione
Strofinate la base di plastica con il panno di lana, ed in seguito posizionavi sopra l'elettroforo,
senza toccare con la mano la piastra metallica.
Dopo qualche secondo prendete l'elettroforo dal manico e mettete la piastra a contatto con
l'elettroscopio.
Annotate la posizione dell'ago sulla scala graduata.
Posizionate di nuovo l'elettroforo sulla base di plastica, toccate con la mano , come in figura, la
piastra metallica , e poi mettete la piastra a contatto con l'elettroscopio.
Annotate la posizione dell'ago sulla scala graduata.
Nella prima parte dell'esperienza l'elettroforo si è caricato per ….................., ma dato che la base è
di materiale …....................., la carica elettrica acquistata dall'elettroforo è minima.
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Nella seconda parte dell'esperienza , le cariche elettriche dell'indotto si distribuiscono come in
figura a , per il fenomeno …........................................................................
Toccando con un dito la piastra superiore metallica le cariche elettriche …................... si scaricano a
terra e quindi l'elettroforo assume una carica …............................. abbastanza intensa che puo'
essere rilevata dall'elettroscopio.
induzione totale – pozzo di Faraday
Obiettivi dell’esercitazione:
Scoprire che cosa è l’induzione totale.
Materiali:
1 sferetta metallica con manico isolante, panno di lana o Van de Graaf per caricarla, elettroscopio di
Kolbe su cui è posizionato il bicchiere di Faraday,.
Esercitazione
Avvicinate una sferetta di metallo elettrizzata con manico isolante all’esterno del bicchiere
metallico e osservate il variare della divergenza dell’ago, al variare della distanza dell’induttore.
Poi inserite la sferetta nell’interno del pozzo di Faraday senza che la sferetta tocchi l’interno dello
stesso.
In quale posizione della sferetta induttrice osservate la massima divergenza dell’ago (e quindi la
massima carica indotta)? ......................................................................................................................
............................................................................................................................................................
Ora fate toccare alla sferetta l’interno del pozzo di Faraday. Cambia la divergenza
dell’ago? ....................................................................................
Estraete ora la sferetta. La divergenza dell’ago varia? .........................................................................
Portate la sferetta di metallo a contatto con un elettroscopio scarico. la sferetta e’ rimasta
carica?.................................................................................................................................................
Il fenomeno osservato prende il nome di induzione totale.
Conclusioni dell’esperienza:
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Pendolo elettrico
Obiettivi dell’esercitazione:
Comprendere il funzionamento di un pendolo elettrico.
Materiali:
1 pendolo con pallina di alluminio, una sfera conduttrice con supporto isolante, generatore di Van der
Graaf
Esercitazione
Collegate la gabbia superiore del generatore con un filo di rame ad una sfera metallica.
Posizionate la pallina di polistirolo, in modo tale che sia vicina alla sfera metallica.
Azionate il generatore
Cosa osservate?
Avvicinando la pallina a un corpo carico, si osserva dapprima una ….......... seguita da una
…....................dopo che pallina e corpo carico sono venuti a contatto.
Il processo si spiega nel modo seguente: la pallina in presenza del corpo carico subisce il fenomeno
dell'......................................................., assumendo una carica ….........a quella della bacchetta nella
parte più vicina e una carica ….............................. nella parte più lontana. Poiché cariche dello
stesso segno si...................... e cariche di segno opposto si ….........................., essendo le cariche di
segno opposto le più vicine, prevale la forza attrattiva e il corpo elettrizzato attira il pendolino.
Nel contatto una parte della carica della bacchetta passa nel pendolino neutralizzando le cariche di
segno opposto. Il pendolino ha ora cariche dello stesso segno della bacchetta e viene dunque
respinto.
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Gabbia di Faraday
Obiettivi dell’esercitazione:
Comprendere che cos'è uno schermo elettrostatico.
Materiali:
Gabbia di Faraday, eletroscopio a foglie, panno di lana, bacchetta di plastica, generatore di Van der
Graaf.
Esercitazione
Ponete un elettroscopio all’interno della gabbia metallica (detta gabbia di Faraday) ed uno fuori.
Quindi avvicinate ai due elettroscopi una bacchetta di plastica elettrizzata. Cosa osservate?
..........................................................................................................................................................
...........................................................................................................................................................
L’elettroscopio nella gabbia risente della presenza del corpo elettrizzato? …………………………
e quello fuori? ...............................................
Inserite ora delle foglioline di alluminio nella parte interna e esterna della gabbia e collegate la
gabbia con il generatore di Van der Graaf.
Cosa osservate?
..........................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................
La gabbia metallica è quindi uno schermo elettrostatico.
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Distribuzione delle cariche elettriche nei conduttori e potere delle punte
Obiettivi dell’esercitazione:
Comprendere come si distribuiscono le cariche nei conduttori
Materiali:
generatore di Van der Graaf , conduttore conico
Esercitazione
Utilizzate in questa fase il corpo metallico a forma cilindrica, cavo, con punta e con manico
isolante. Collegate il corpo metallico con il generatore di Van der Graaf. , attraverso un cavo di
rame.
Dopo che l'oggetto si è caricato, spegnete il generatore e con una sferetta metallica con manico
isolante toccate l’interno del corpo, portando poi la sferetta a contatto con l’elettroscopio.
L’elettroscopio rivela la presenza di cariche all’interno del corpo? .........................................
Ripetete l’esperienza toccando con la sferetta l’esterno del corpo.
L’elettroscopio rivela la presenza di cariche sulla superficie esterna? …………………..........
Ripetete l’esperienza toccando con la sferetta la punta del cono.
L’elettroscopio rivela la presenza di cariche sulla punta? …………………..........
Conclusioni
Le cariche elettriche si distribuiscono …........................................................................................
e si accumulano maggiormente nelle …..........................
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Potere delle punte e generatore di Van der Graaf
In prossimità delle punte di un conduttore carico positivamente P, le cariche elettriche si addensano.
Il conduttore neutro C, posto nelle vicinanze di P, si caricherà per …......................
…......................., ….......................... nella parte più vicina e …................. nella parte più lontana . Il
campo elettrico sulla punta è tanto intenso da ionizzare le molecole che costituiscono l'aria tra P e
C, producendo coppie di ioni positivi e negativi. Gli ioni negativi, attratti dal conduttore P, vengono
a contatto e neutralizzano la sua carica. Gli ioni positivi invece sono respinti verso il conduttore C
e , dopo essere venuti a contatto neutralizzano la carica negativa. Pertanto, per effetto di tale
processo di ionizzazione e movimento di ioni, P si scarica e C si carica positivamente, cioè della
stessa carica posseduta inizialmente da P. (figura sinistra)
Supponiamo ora che C sia carico positivamente e che P sia inizialmente neutro. In tal caso per
effetto dell'induzione elettrostatica il conduttore P si carica …................. nella parte vicina a C e
…..............nella parte più lontana.
Successivamente , per mezzo del processo di ionizzazione e del conseguente movimento di ioni
viene neutralizzata sia la sia la carica ….................... di C che quella ….................. di P.
Di conseguenza P rimane carico positivamente, cioè della stessa carica …............................., mentre
C si scarica. Anche in questo caso le cose avvengono come se la carica passasse da C a P.
L'effetto punta e l'induzione elettrostatica sono i principi su cui lavora, ad esempio, il generatore di
Van de Graaf.
Le cariche elettriche fornite da un piccolo generatore G, sfuggono da un pettine P, vanno sulla
cinghia che le trasporta in un conduttore S, attraverso un ulteriore pettine P'.
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Precipitatore elettrostatico di fumi
Materiale : beuta , generatore di Van de Graaf, pompetta, sigaretta.
Esecuzione
Nella parte alta della beuta fuoriesce un tubo di gomma nel quale va inserita una sigaretta accesa.
In un altro punto della beuta fuoriesce un tubo nel quale va collegata la pompetta aspira fumo.
All'interno della beuta è presenta un elettrodo a punta ; fra la beuta e il piano è inoltre inserito un
piatto metallico, destinato a fungere da secondo elettrodo.
Gli elettrodi vanno collegati a un generatore di alta tensione o a una macchiuna elettrostatica .
Inizialmente colleghiamo quello a punta con il polo negativo e il piatto con quello positivo.
Dopo aver aspirato il fumo della sigaretta all'interno della beuta, accendiamo la macchina
elettrostatica.
Si puo' notare che.................................................................
Spiegazione
L'elettrodo a punta negativo è in grado di ionizzare le molecole che costituiscono l'aria. Si
producono così coppie di ….......... positivi e …...........................
I primi sono attratti dall' …..................... a …..............., mentre i secondi interagiscono con le
molecole di fumo caricandole negativamente; le particelle precipitano così verso il piatto metallico.
Prova ora a vedere cosa accade se si invertono i poli.
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La bottiglia di Leida
Obiettivi dell’esercitazione:
Comprendere il funzionamento di un condensatore
Materiali:
Bottiglia di Leyda, generatore di Van de Graaf., pinza per scarica
Montiamo la bottiglia di leida.
Il pistone va inserito all'interno del …....................., mentre il bicchiere di plastica va inserito all'interno
del recipiente metallico.
Il recipiente metallico va collegato …................, il pomello del pistone metallico va collegato
a..................................................................
Supponiamo che il pistone si carichi positivamente.
Come si caricherà il recipiente metallico esterno?
Per il fenomeno dell'….................. …................................. esso si caricherà..........................
............................................ .................. ....................................................................................................
.....................
Quali cariche si disperderanno a terra attraverso il filo di rame?
.......................................................................................................................................................................
Che carica assumerà il recipiente metallico dopo che le cariche …................ si disperdono a terra?
Che effetto avranno le cariche …................ del recipiente?
Esse tenderanno ad attirare le cariche ….........................dal generatore di van de Graaf e quindi
permetteranno al pistone di diventare un serbatoio di cariche elettriche.
Dove sono impiegati i condensatori?
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