L’induzione elettrostatica
È possibile elettrizzare un corpo senza toccarlo?
Sembra impossibile. Nella vita quotidiana siamo abituati a pensare che per spostare qualcosa sia necessario un contatto diretto: per spingere una porta bisogna toccarla, per spostare una palla bisogna colpirla, per trasferire un oggetto bisogna afferrarlo.
Anche con l’elettricità verrebbe spontaneo pensare che, per elettrizzare un corpo, sia necessario metterlo a contatto con un altro corpo già carico.
Eppure la natura è più sorprendente di quanto immaginiamo.
Un corpo elettricamente carico può infatti influenzare un altro corpo posto nelle sue vicinanze, modificando la distribuzione delle sue cariche senza alcun contatto diretto.
Questo fenomeno, noto come induzione elettrostatica, è alla base di numerose applicazioni tecnologiche e permette di comprendere il funzionamento di dispositivi come l’elettroscopio, il parafulmine, le fotocopiatrici, le stampanti laser e la gabbia di Faraday.
Idea fondamentale
Un corpo carico può provocare una redistribuzione delle cariche presenti in un altro corpo semplicemente avvicinandosi ad esso, senza che vi sia alcun contatto tra i due.
Come avviene l’induzione elettrostatica?
Immaginiamo di avvicinare una bacchetta elettrizzata a una sfera metallica inizialmente neutra.
Le due non si toccano. Non vi è alcun passaggio diretto di cariche da un corpo all’altro. Eppure, all’interno della sfera, gli elettroni iniziano a spostarsi e le cariche si separano spontaneamente.
La parte della sfera più vicina alla bacchetta presenta un eccesso di cariche di segno opposto rispetto a quelle della bacchetta, mentre la parte più lontana presenta un eccesso di cariche dello stesso segno.
La sfera rimane globalmente neutra, ma le sue cariche non sono più distribuite uniformemente.
Questo sorprendente fenomeno prende il nome di induzione elettrostatica.
Che cosa accade all’interno del conduttore?
Per comprendere il fenomeno dell’induzione elettrostatica dobbiamo ricordare una proprietà fondamentale dei materiali conduttori.
Per approfondire la differenza tra materiali che permettono il movimento delle cariche e materiali che lo impediscono, puoi leggere anche l’articolo sui conduttori e isolanti.
Nei metalli alcuni elettroni, chiamati elettroni di conduzione, non appartengono a un singolo atomo, ma sono liberi di muoversi all’interno del materiale.
Quando il conduttore è isolato e non è soggetto ad alcuna influenza esterna, questi elettroni si muovono continuamente in modo disordinato e, in media, risultano distribuiti uniformemente.
La situazione cambia quando si avvicina un corpo elettricamente carico.
Il campo elettrico prodotto dal corpo carico esercita infatti una forza sugli elettroni liberi presenti nel conduttore. Essi iniziano così a spostarsi, accumulandosi in una determinata regione del corpo e lasciando scoperta un’altra regione.
Di conseguenza, nel conduttore si verifica una separazione delle cariche.
La sfera rimane neutra
È importante osservare che durante questo processo la carica totale del conduttore non cambia.
Non vi è infatti alcun trasferimento di cariche tra la bacchetta e la sfera, poiché i due corpi non si toccano.
Le cariche presenti nella sfera si limitano a ridistribuirsi in modo diverso.
Attenzione
L’induzione elettrostatica non produce nuove cariche e non trasferisce cariche da un corpo all’altro. Essa provoca soltanto una redistribuzione delle cariche già presenti nel conduttore.
Un esempio: bacchetta positiva e sfera neutra
Supponiamo di avvicinare una bacchetta caricata positivamente a una sfera metallica inizialmente neutra.
Le cariche positive della bacchetta attirano gli elettroni liberi presenti nella sfera.
Gli elettroni si accumulano nella parte della sfera più vicina alla bacchetta, mentre nella parte opposta rimane una carenza di elettroni.
Si formano così due regioni:
- una regione negativa, vicina alla bacchetta;
- una regione positiva, più lontana dalla bacchetta.
La sfera continua tuttavia ad essere globalmente neutra.
Perché gli elettroni smettono di muoversi?
Quando la bacchetta carica viene avvicinata al conduttore, gli elettroni liberi iniziano a spostarsi sotto l’azione del campo elettrico esterno.
Questo movimento, però, non continua indefinitamente. Man mano che gli elettroni si accumulano in una determinata regione del conduttore, essi stessi generano un campo elettrico che si oppone a quello prodotto dal corpo esterno.
Lo spostamento delle cariche continua finché i due campi elettrici si compensano perfettamente all’interno del conduttore.
A questo punto la forza risultante che agisce sugli elettroni diventa nulla e le cariche cessano di muoversi.
Il conduttore ha così raggiunto una condizione di equilibrio elettrostatico.
Equilibrio elettrostatico
Un conduttore si trova in equilibrio elettrostatico quando le cariche elettriche al suo interno non si muovono più.
Il campo elettrico all’interno del conduttore è nullo
Se all’interno del conduttore esistesse un campo elettrico diverso da zero, gli elettroni subirebbero una forza e continuerebbero a muoversi.
Poiché in equilibrio elettrostatico le cariche sono ferme, la forza che agisce su di esse deve essere nulla.
\(\vec{F}=q\vec{E}\)
Affinché la forza sia nulla, il campo elettrico all’interno del conduttore deve necessariamente annullarsi.
\(\vec{E}=0\)
Possiamo quindi affermare una proprietà fondamentale dei conduttori in equilibrio elettrostatico.
Prima proprietà dei conduttori in equilibrio elettrostatico
Il campo elettrico all’interno di un conduttore in equilibrio elettrostatico è nullo.
Dove si trovano le cariche in eccesso?
Abbiamo appena visto che, in equilibrio elettrostatico, il campo elettrico all’interno di un conduttore è nullo.
Nasce allora una domanda spontanea: se all’interno del conduttore il campo elettrico è nullo, dove si dispongono le eventuali cariche in eccesso?
La risposta è sorprendente: In un conduttore isolato in equilibrio elettrostatico, le eventuali cariche in eccesso si distribuiscono sulla superficie esterna del corpo.
Infatti, se una carica si trovasse all’interno del materiale, genererebbe un campo elettrico e le altre cariche continuerebbero a muoversi. Questo sarebbe incompatibile con la condizione di equilibrio elettrostatico.
Seconda proprietà dei conduttori in equilibrio elettrostatico
Le cariche elettriche in eccesso si distribuiscono esclusivamente sulla superficie esterna del conduttore.
Il campo elettrico sulla superficie
Consideriamo ora una carica situata sulla superficie del conduttore.
Se il campo elettrico avesse una componente tangenziale alla superficie, la carica subirebbe una forza parallela alla superficie stessa e inizierebbe a muoversi.
Ma in equilibrio elettrostatico le cariche devono rimanere ferme.
Di conseguenza, il campo elettrico sulla superficie del conduttore non può avere componenti tangenziali.
Esso deve essere diretto esclusivamente lungo la normale alla superficie.
Terza proprietà dei conduttori in equilibrio elettrostatico
Il campo elettrico sulla superficie di un conduttore è sempre perpendicolare alla superficie stessa.
Perché le punte sono così importanti?
Osservando un conduttore dotato di punte o spigoli molto accentuati, si scopre un altro fenomeno sorprendente.
Le cariche elettriche non si distribuiscono uniformemente su tutta la superficie, ma tendono ad accumularsi maggiormente nelle regioni più appuntite.
Di conseguenza, nelle vicinanze delle punte il campo elettrico risulta particolarmente intenso.
Questo fenomeno prende il nome di potere dispersivo delle punte.
Curiosità
Benjamin Franklin sfruttò proprio il potere dispersivo delle punte per ideare il parafulmine, uno dei dispositivi più importanti nella protezione degli edifici dalle scariche atmosferiche.
Per approfondire la figura di Benjamin Franklin e i suoi esperimenti sull’elettricità, puoi consultare il sito del Franklin Institute.
Elettrizzare un corpo senza toccarlo
L’induzione elettrostatica permette non solo di separare le cariche all’interno di un conduttore, ma anche di caricarlo permanentemente senza che esso venga mai a contatto con il corpo inizialmente carico.
Questo procedimento prende il nome di elettrizzazione per induzione.
Prima fase: separazione delle cariche
Consideriamo una sfera metallica inizialmente neutra e avviciniamo ad essa una bacchetta caricata positivamente.
La presenza della bacchetta provoca una redistribuzione degli elettroni all’interno della sfera: le cariche negative si accumulano nella regione più vicina alla bacchetta, mentre nella regione opposta si manifesta un eccesso di cariche positive.
La sfera rimane complessivamente neutra, ma le cariche risultano separate.
Seconda fase: collegamento con la Terra
Mantenendo la bacchetta nella stessa posizione, si collega la sfera alla Terra mediante un filo conduttore.
Poiché la bacchetta positiva continua ad attrarre elettroni, alcune cariche negative provenienti dalla Terra entrano nella sfera.
La Terra può infatti essere considerata un enorme serbatoio praticamente inesauribile di cariche elettriche.
La messa a terra
La Terra può cedere oppure assorbire cariche elettriche senza modificare sensibilmente il proprio stato elettrico.
Terza fase: interruzione del collegamento con la Terra
Quando la sfera ha ricevuto gli elettroni provenienti dal terreno, il collegamento con la Terra viene interrotto.
È importante che la bacchetta carica rimanga ancora al suo posto durante questa operazione.
Quarta fase: allontanamento della bacchetta
Solo dopo aver scollegato la Terra si allontana la bacchetta positiva.
Gli elettroni in eccesso presenti nella sfera si ridistribuiscono uniformemente su tutta la superficie.
La sfera risulta ora caricata negativamente.
Il corpo è stato elettrizzato senza essere mai entrato in contatto con la bacchetta.
Risultato fondamentale
Una bacchetta positiva può caricare negativamente una sfera metallica senza toccarla. Analogamente, una bacchetta negativa può caricare positivamente la sfera.
Conservazione della carica elettrica
Durante tutto il processo continua a valere il principio di conservazione della carica elettrica.
\(\sum q=\text{costante}\)
Le cariche elettriche non vengono create né distrutte, ma semplicemente trasferite da un corpo a un altro oppure redistribuite.
In sintesi
- L’induzione elettrostatica è il fenomeno mediante il quale un corpo carico provoca una redistribuzione delle cariche in un altro corpo senza contatto diretto.
- Nei conduttori gli elettroni liberi possono spostarsi sotto l’azione di un campo elettrico esterno.
- In equilibrio elettrostatico il campo elettrico all’interno del conduttore è nullo.
- Le cariche elettriche in eccesso si distribuiscono sulla superficie esterna del conduttore.
- Il campo elettrico sulla superficie del conduttore è sempre perpendicolare alla superficie stessa.
- Le cariche tendono ad accumularsi maggiormente nelle regioni appuntite.
- Attraverso la messa a terra è possibile elettrizzare un corpo per induzione senza contatto diretto.
- La carica elettrica totale si conserva sempre.
L’induzione elettrostatica mostra che l’elettricità non agisce soltanto per contatto: una carica può modificare lo spazio intorno a sé e influenzare altri corpi a distanza. È qui che l’elettrostatica rivela tutta la sua potenza: l’invisibile diventa causa di effetti reali, misurabili e sorprendenti.
