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Ripasso di Fisica per il Biennio delle Superiori
 
Unità 12.
L'elettrostatica
 
DEFINIZIONI E TABELLE Esercizi svolti, esperienze e attività Questionario
 
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D1. Una delle interazioni fondamentali della natura è la forza elettrica (vedi l’Unità 3). Essa agisce solo tra corpi dotati di carica elettrica: si dà questo nome a una proprietà della materia che si presenta sotto due forme, una positiva e l'altra negativa.

D2. Nel SI la carica elettrica si misura in coulomb (simbolo C). I protoni sono dotati di una carica positiva: si tratta della più piccola carica elettrica conosciuta in natura, e viene detta carica elettrica elementare e, pari a 1,602•10-19 C. Gli elettroni sono dotati di carica uguale a quella del protone, ma di segno negativo (-e), mentre i neutroni sono elettricamente neutri, cioè non reagiscono alle forze elettriche.

D3. L'elettrostatica è quella parte della fisica che si occupa dei fenomeni generati da cariche elettriche in quiete rispetto all'osservatore.

D4. Tra cariche di segno opposto si ha una forza di attrazione: è questa che tiene legati gli elettroni ai nuclei e che gestisce i legami chimici tra gli atomi. Tra cariche dello stesso segno si ha invece una forza di repulsione: è questa la componente repulsiva delle forze intermolecolari, che si genera tra gli elettroni di molecole adiacenti (vedi le definizioni D5 e D6 dell’Unità 4).

D5. La legge di Coulomb afferma che la forza elettrica Fe che si esercita tra due cariche puntiformi q1 e q2 in quiete è direttamente proporzionale al prodotto delle due cariche, inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza r, ed è diretta lungo la retta che congiunge le due cariche:

Fe = kq1q2 / r ²

D6. Nel SI, la costante di proporzionalità k vale 8,988 N•m²/C² se fra le due cariche c'è il vuoto (oppure l'aria, con buona approssimazione), mentre i valori di k sono minori se le cariche sono separate da altre sostanze.

D7. Attribuendo il segno - alle cariche negative e il segno + a quelle positive, la legge di Coulomb indica anche se la forza è attrattiva (quando F < 0) o repulsiva (quando F > 0).

D8. In condizioni normali, gli atomi sono elettricamente neutri. Infatti, avendo un ugual numero (Z) di protoni e di elettroni, il valore della carica di un atomo è:

q = Z • e + Z • (- e) = 0.

Di conseguenza, anche le molecole sono neutre.

D9. In particolari condizioni, un atomo può perdere o acquistare uno o più elettroni, rompendo così l'equilibrio elettrico e diventando uno ione, positivo nel primo caso e negativo nel secondo.

D10. Una sostanza è elettrizzata quando ha degli atomi ionizzati. Ci sono tre modi per elettrizzare una sostanza: per strofinio, per contatto, o per induzione.

D11. L'elettrizzazione per strofinio consiste nel passaggio di elettroni da un corpo a un altro, in seguito ad uno strofinamento reciproco. I due corpi, inizialmente neutri, diventano entrambi carichi, di segni opposti. E' questa la causa delle elettrizzazioni di certi indumenti, delle materie plastiche e delle nubi temporalesche.

D12. Ponendo a contatto un corpo carico con uno neutro, quest'ultimo si carica dello stesso segno di quello carico, grazie a un passaggio di elettroni da un corpo all'altro, che stabilisce un equilibrio elettrico tra i due corpi.

D13. L'elettrizzazione per induzione consiste invece in una particolare ridistribuzione delle cariche elettriche in un corpo neutro per effetto della vicinanza di un corpo carico. Le molecole sono asimmetriche (cioè sono un po' più positive da una parte che dall'altra), perciò in presenza di un corpo carico tendono ad orientarsi in modo da avvicinare ad esso la parte di segno opposto. Così, il corpo che ha subito l'induzione, pur restando neutro, presenta nella direzione del corpo che l'ha provocata una carica elettrica di segno contrario, che genera una forza di attrazione coulombiana.

D14. L'induzione elettrica costituisce l'origine della componente attrattiva delle forze intermolecolari e in genere delle forze elettriche che si manifestano tra corpi elettrizzati e neutri (per esempio, tra le nubi temporalesche e il suolo terrestre).

D15. In tutti i metodi di elettrizzazione le cariche elettriche non vengono né create né distrutte, ma solo trasferite. La legge di conservazione della carica elettrica è una delle leggi fondamentali della fisica: essa afferma che in un sistema isolato la quantità totale di carica elettrica è costante.

D16. Lo spazio che circonda un corpo carico è sede di forze elettriche: tale spazio è detto campo elettrico. Si definisce intensità E di un campo elettrico in un dato punto il rapporto tra la forza F agente su una carica positiva posta in quel punto e il valore q della carica stessa:

E = F / q

Nel SI, l'intensità del campo elettrico viene misurata in newton/coulomb (N/C).

D17. In particolare, se il campo elettrico è generato da una carica Q, per la legge di Coulomb si ha che l'intensità del campo alla distanza r da Q è data da:

E = k • Q / r²

D18. Una carica elettrica posta in un campo elettrico possiede una energia elettrostatica Eel dipendente dalla sua posizione nel campo. In particolare, si può dimostrare che una carica q posta alla distanza r dalla carica Q generatrice del campo possiede l'energia:

Eel = k • Q • q / r

D19. Si definisce potenziale V di un punto del campo il rapporto tra l'energia elettrostatica posseduta in quel punto da una carica positiva e il valore q della carica stessa:

V = Eel / q

Nel caso particolare già esaminato, si ha:

V = k • Q / r

Nel SI il potenziale si misura in joule/coulomb, cui viene dato il nome di volt (simbolo V).

D20. La differenza di potenziale (d.d.p. o DV) tra due punti A e B di un campo elettrico è uguale al lavoro necessario per spostare una carica positiva unitaria da B ad A. Perciò, se si sposta una carica q, si ha

d.d.p. = DV = VA - VB = L / q

Per esempio, se occorrono 15 J per spostare tra due punti di un campo una carica di 10 C, la differenza di potenziale tra i due punti è:

DV = 15 J / 10 C = 1,5 V.

D21. Quando un corpo viene elettrizzato, la carica elettrica può restare localizzata nella parte elettrizzata se si tratta di un materiale isolante, o distribuirsi su tutto il corpo se si tratta di un materiale conduttore. I migliori conduttori sono i metalli, nei quali gli elettroni possono scorrere liberamente, mentre sono isolanti l'aria secca, il legno, le plastiche e molte altre sostanze che impediscono il movimento degli elettroni nel loro interno.

D22. Esistono sostanze isolanti che sottoposte a particolari eccitazioni (calore, luce) diventano conduttrici. Si tratta dei semiconduttori, le cui proprietà sono sfruttate nelle strumentazioni elettroniche.

D23. Quando un corpo conduttore viene elettrizzato, sulla sua superficie si viene a creare un campo elettrico, il cui potenziale è costante in tutti i punti ed è proporzionale alla quantità di carica fornita. Si definisce capacità elettrica C di un conduttore il rapporto tra il valore Q della carica fornita e il potenziale V del campo elettrico che essa produce:

C = Q / V

D24. Nel SI la capacità elettrica si misura in coulomb/volt, cui viene dato il nome di farad (simbolo F). Questa unità è molto grande, perciò se ne usano in genere i sottomultipli: il microfarad (1 µF = 10-6 F), il nanofarad (1 nF = 10-9 F) e il picofarad (1 pF = 10-12 F, vedi la Tabella 3 nell’Unità 2).

D25. Per convenzione, si assume uguale a zero il potenziale del suolo terrestre. Perciò, mettere a terra un corpo carico significa collegarlo con il terreno, annullando il suo potenziale.

D26. Avvicinando a un conduttore un altro conduttore a potenziale nullo, la capacità elettrica del primo aumenta fortemente, perciò è possibile accumulare su di esso grandi quantità di carica, mantenendo basso il valore del potenziale. L'insieme dei due conduttori così accoppiati viene chiamato condensatore, del quale i due conduttori costituiscono le armature.

D27. Per caricare un condensatore dal potenziale 0 fino al potenziale V, occorre effettuare un lavoro che varia da 0 fino al valore Q • V (invertendo la definizione data nella definizione D19), dove Q è il valore della carica fornita. Quindi, il lavoro medio è:

L = ½ Q • V

Combinando questa formula con la definizione di capacità, si ottiene:

L = ½ C • V²

Questo lavoro diventa energia elettrostatica (Eel) accumulata nel condensatore.
Per esempio, un condensatore da 20 nF caricato a un potenziale di 9 V ha un’energia:

Eel = ½ 20•10-9 C • (9 V)2 = 8,1•10-7 J

D28. Fra due corpi che si trovano a potenziali differenti si stabilisce una d.d.p. e quindi una tensione, ovvero la tendenza a ristabilire l'equilibrio elettrico (definito dall'uguaglianza dei potenziali), tramite un trasferimento di cariche, detto corrente elettrica. Questa è possibile se i due corpi sono collegati tramite un materiale conduttore. Secondo la convenzione usata fin qui, una carica elettrica positiva cade dai punti a potenziale maggiore a quelli a potenziale minore.

D29. Anche negli isolanti si può avere un trasferimento di cariche, grazie alla formazione di atomi ionizzati, detto scarica elettrica. Questa si verifica solo quando l'intensità del campo supera un determinato valore, caratteristico del materiale, detto campo di scarica. Le scintille e i fulmini sono tipici esempi di scariche elettriche nell'aria secca, in cui il campo di scarica è di circa 3•106 N/C.

D30. La scarica elettrica è un fenomeno rapido e non costante, detto transitorio, mentre un flusso costante di cariche tra due punti collegati da un conduttore, quindi una corrente elettrica (vedi l’Unità 13) è un fenomeno stazionario. Per ottenere questo flusso costante bisogna mantenere costante la d.d.p. tra i due punti tramite un generatore di tensione.

D31. Un esempio di generatore è dato dalla pila, che grazie alle particolari reazioni chimiche che avvengono al suo interno essa accumula elettroni sul polo negativo sottraendoli al polo positivo, mantenendo così una d.d.p. costante tra i due poli, che viene chiamata forza elettromotrice (f.e.m.).

D32. Collegando il polo positivo di una pila con quello negativo di un'altra, si ha una disposizione in serie delle pile, ovvero una batteria. La tensione totale che si ottiene agli estremi della batteria è pari alla somma delle tensioni generate dalle singole pile.


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