$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Il campo elettrico è fondamentale per comprendere l'elettricità e le interazioni carica-carica ed è strettamente correlato a grandezze importanti come il potenziale elettrico.
Qualsiasi oggetto carico genera un campo elettrico. L'ampiezza del campo dipende dalla quantità di carica sull'oggetto e dalla distanza dall'oggetto in cui viene misurato il campo. Questi campi esercitano anche una forza su altre cariche o materiali vicini, causando fenomeni interessanti.
In questo video, prima rivisiteremo i concetti di base relativi ai campi elettrici, e poi illustreremo un esperimento che aiuta nello studio dei campi elettrici e delle forze che impattano le cariche e i materiali in un campo. Infine, vedremo un paio di applicazioni che utilizzano i campi elettrici a loro vantaggio.
Come accennato in precedenza, un oggetto carico produce un campo elettrico nello spazio circostante. Utilizzando la legge di Gauss, si può dimostrare che l'ampiezza del campo elettrico è linearmente proporzionale alla carica sorgente 'Q' e inversamente proporzionale al quadrato della distanza 'r' dalla carica sorgente; e 'k' è la costante di Coulomb. Pertanto, raddoppiando la quantità di carica della sorgente si ottiene il doppio dell'intensità del campo. Mentre il raddoppio della distanza di misurazione riduce l'intensità del campo di quattro volte.
Il campo elettrico prodotto da un oggetto carico può essere visualizzato utilizzando linee fittizie chiamate "linee di campo elettrico". Queste linee sono una raccolta di frecce tracciate per aiutare a visualizzare sia l'ampiezza che la direzione del campo. Tipicamente, le linee di campo sono dirette lontano da una carica sorgente positiva e verso una carica sorgente negativa.
Il numero totale di linee di campo prodotte da un oggetto carico rappresenta la quantità di carica, mentre la densità delle linee in una particolare posizione nel campo denota la grandezza in quella posizione. Pertanto, le linee sono strettamente impacchettate vicino a una sfera carica, mentre sono più distanti a una distanza maggiore dalla sorgente.
La direzione del campo elettrico di una carica di sorgente sconosciuta è determinata posizionando una carica di prova nelle vicinanze della carica di sorgente e osservando se la carica di prova è attratta o respinta lontano dalla carica di origine.
L'entità di questa forza 'F' è data dalla legge di Coulomb, che afferma che la forza è linearmente proporzionale all'intensità del campo elettrico e alla quantità di carica sulla carica di prova. Per la direzione: se la carica di prova è positiva, la direzione della forza sulla carica di prova è la stessa del campo elettrico. Tuttavia, se la carica di prova è negativa, la direzione della forza è opposta a quella del campo elettrico della carica sorgente.
I campi elettrici possono anche produrre una differenza di potenziale elettrico, o una caduta di tensione, lungo la direzione del campo. Questo fenomeno è discusso in dettaglio nel video Potenziale elettrico di questa raccolta. Al contrario, è importante notare che i campi elettrici sono generati anche dall'applicazione di tensioni diverse a due conduttori separati. In questo caso, la direzione del campo punta dalla tensione più alta a quella più bassa.
Oltre agli oggetti carichi, i campi elettrici colpiscono anche i materiali che sono neutri di carica, come il filo di rame. Tutti i materiali neutri sono costituiti da un'enorme e uguale quantità di cariche positive e negative. I campi elettrici esercitano quindi una forza su ciascuna di queste cariche; con conseguente spostamento di grandi raccolte di carica nel materiale. Ciò può comportare un'efficace separazione delle cariche positive e negative ed è noto come "polarizzazione".
Nella prossima sezione, vedremo come visualizzare le linee di campo del campo elettrico generate dall'applicazione di tensioni a due diverse configurazioni di elettrodi. E nella sezione seguente vedremo l'effetto delle forze elettriche e il fenomeno della polarizzazione usando carta, pelliccia, una bacchetta acrilica e una lattina di soda.
La dimostrazione consiste in un generatore elettrostatico, come un Genecon statico portatile o un generatore di van der Graff, una coppia di elettrodi disposti in una configurazione a cerchi concentrici, una coppia di elettrodi disposti parallelamente l'uno all'altro e una capsula di Petri o vasca di osservazione.
La vasca di osservazione è riempita con un olio viscoso, come l'olio di ricino, e circa mezzo grammo di polvere polarizzabile, come i semi di semola.
Caricare il serbatoio di osservazione riempito con l'emulsione di olio e polvere nel suo supporto. Quindi, montare la piastra con la configurazione dell'elettrodo parallelo sul supporto. Utilizzando i cavi, collegare gli elettrodi ai terminali negativo e positivo del generatore elettrostatico.
Ruotare la manovella del generatore di almeno 5 giri completi, creando così una differenza di potenziale tra i due conduttori e stabilendo un campo elettrico. Poiché la polvere aggiunta è polarizzabile, i granelli di polvere inizieranno lentamente ad allinearsi con le linee del campo elettrico.
Successivamente, per neutralizzare le cariche, cortocircuitare direttamente i terminali positivo e negativo collegando un cavo tra i terminali. Dopo aver atteso alcuni secondi affinché la carica si dissipasse, scollegare il cavo di cortocircuito dai terminali. Quindi, smontare la piastra dell'elettrodo dal supporto.
A questo punto, montare la piastra con la configurazione dell'elettrodo a cerchio concentrico sul supporto. Mescolare l'olio e la polvere polarizzabile nella vasca di osservazione ruotando con cura il set-up.
Accendere il generatore e farlo girare di almeno 5 giri completi per creare un campo elettrico tra i due anelli conduttori. La polvere tra gli anelli formerà linee radianti che indicano che le linee del campo elettrico in questa regione sono simili alle linee del campo elettrico di una carica puntiforme situata al centro degli anelli. Al contrario, la polvere all'interno del cerchio interno non possiede alcun allineamento distinguibile, indicando che non esiste alcun campo elettrico apprezzabile in questa regione.
Ora discutiamo di un esperimento che dimostra la polarizzazione e le forze del campo elettrico. Gli oggetti comuni utilizzati in questa dimostrazione sono una lattina di soda vuota, un'asta di acrilico, un pezzo di pelliccia abbastanza grande da avvolgere l'asta e una striscia di carta.
Posiziona la lattina di soda vuota su un lato in modo che possa rotolare liberamente. Avvolgi il pezzo di pelo attorno all'asta e strofinalo da un'estremità all'altra almeno 10 volte. Strofinando l'asta, si trasferiscono fisicamente gli elettroni dalla pelliccia all'asta e si carica negativamente l'asta, consentendole di generare il campo elettrico necessario per indurre una polarizzazione.
Avvicina l'asta carica alla lattina di soda vuota e osserva le forze attrattive sulla lattina mentre inizia a rotolare verso l'asta. Questo perché il campo elettrico dell'asta induce una polarizzazione sulla lattina di soda. Le cariche di segno opposto a quelle sull'asta vengono avvicinate all'asta, mentre le cariche dello stesso segno vengono allontanate dall'asta. Ciò fa sì che l'asta eserciti forze attrattive e repulsive sulla lattina. Poiché le cariche opposte sono più vicine all'asta, queste subiscono una forza più forte, che produce una forza attrattiva netta verso l'asta.
Quindi, avvicina l'asta caricata alla striscia di carta e osserva la piega della carta verso l'asta. Il comportamento attrattivo è il risultato dello stesso effetto di polarizzazione indotto che ha causato il rotolamento della lattina di soda verso l'asta. È interessante notare che, nonostante pesi molto meno della lattina di soda, il movimento complessivo della carta è relativamente piccolo. Ciò è dovuto alla natura isolante della carta rispetto alla natura conduttiva della lattina, che porta a una polarizzazione molto più debole.
I campi elettrici sono onnipresenti poiché esistono ovunque ci siano oggetti carichi o differenze di tensione.
L'elettricità, o corrente elettrica, è il risultato di campi di forza elettrica che spingono la carica attraverso fili altamente conduttivi. Su larga scala, ciò comporta l'instradamento dell'elettricità dalle centrali elettriche agli edifici residenziali e commerciali. Su scala più piccola, il passaggio di corrente elettrica attraverso un circuito è fondamentale per il funzionamento di qualsiasi dispositivo elettronico, come un LED, una lampadina, un ventilatore o un computer.
La spettrometria di massa utilizza campi elettrici per determinare il contenuto chimico di un campione. In questa apparecchiatura, in primo luogo le molecole ionizzate vengono generate dall'applicazione di forti forze, come un fascio di elettroni, plasma o laser. Queste molecole cariche vengono poi fatte passare attraverso una serie di campi elettrici alternati. Il campo esercita una forza elettrica sulle molecole, che altera la loro traiettoria, portando a un'efficace separazione.
Hai appena visto l'introduzione di JoVE a Electric Fields. A questo punto è necessario comprendere i principi che governano l'ampiezza e la direzione dei campi elettrici, come visualizzare le linee del campo elettrico e come la polarizzazione può essere indotta da un campo elettrico. Grazie per l'attenzione!
