Qual è la differenza tra un conduttore ed un isolante? Definizione di elettrizzazione per strofinio, per contatto, induzione e polarizzazione

Ciao a tutti! In questa lezione parliamo della differenza tra corpi conduttori ed isolanti. Definiamo anche l’elettrizzazione per contatto, l’elettrizzazione per strofinio ma prima di fare questo dobbiamo semplicemente introdurre qualcosa relativamente al fatto che ogni oggetto è composto da cariche elettriche. Ma come sono organizzate queste cariche elettriche? Quando un oggetto è capace di attrarre piuttosto che respingere un altro oggetto?

la natura elettrica della materia

Intanto partiamo con il dire che la materia è composta da atomi e questi atomi sono composti da cariche: le cariche negative ovvero gli elettroni sono quelli più utili a comprendere come funzionano i fenomeni di elettrizzazione perché proprio gli elettroni possono essere “strappati” via dagli atomi, specie gli elettroni più esterni, quindi passare su altri atomi e fare sì che avvengano fenomeni di attrazione e ripulsione tra oggetti. Ma come avviene tutto questo?

atomi neutri, ioni positivi e ioni negativi

Normalmente un atomo è formato dallo stesso numero di elettroni e protoni ma quando siamo di fronte a un fenomeno di elettrizzazione allora l’atomo stesso perde un elettrone oppure lo acquista: un atomo prende il nome di ione negativo nel caso in cui c’è un elettrone in più oppure ione positivo nel caso c’è un elettrone in meno. Come vedete però il gioco totale lo fa sempre il passaggio di elettroni. È importante focalizzare il fatto che le cariche positive ovvero i protoni restano ben saldi all’interno del nucleo!

Se guardiamo una cosa in maniera macroscopica ovvero dall’esterno immaginiamo che gli oggetti stessi si elettrizzano ovvero acquistano piuttosto che perdono elettroni e possiamo immaginare questa elettrizzazione come un certo numero di elettroni che l’oggetto acquisto oppure perde. Ma come possiamo descrivere gli oggetti secondo la carica distribuita in essi?

oggetti neutri ed elettrizzati

Dunque immaginiamo appunto l’oggetto composto da atomi neutri dove le cariche positive sono uguali il numero a quelle negative allora diremo che l’oggetto è neutro. Quando invece c’è uno sbilanciamento allora diremo che l’oggetto elettrizzato. Allora distingueremo due diverse classi di oggetti: gli oggetti elettropositivi e gli oggetti elettronegativi

oggetti elettropositivi

Questi sono oggetti nei quali c’è un difetto di numero elettroni (ricordatevi, sono gli elettroni che si muovono da un oggetto all’altro dunque quando questi sono di meno questo mette in risalto la positività complessiva dell’oggetto stesso)

oggetti elettronegativi

Questi sono oggetti nei quali c’è un eccesso di elettroni

attrazione e repulsione tra oggetti elettrizzati

Dunque mettendo uno di fronte all’altro due oggetti elettrizzati allo stesso modo questi si respingeranno. Mentre mettendo uno di fronte all’altro due oggetti elettrizzati in maniera opposta questi si attrarranno. Da qui è nata l’ipotesi del fisico statunitense Benjamin Franklin dell’ottocento comprese l’esistenza di due differenti tipi di cariche, quelle positive e quelle negative (la fisica scoprirà più di un secolo dopo il protone ed  l’elettrone)

tipi di elettrizzazione

Ma come è possibile elettrizzare gli oggetti? Questo si può fare attraverso con due diverse tecniche: quella dello strofinio e quella del contatto. 

elettrizzazione per strofinio negli isolanti

La prima viene utilizzata per corpi nei quali la carica occupa posizioni fisse, questi vengono detti corpi isolanti. Quindi per strappare via alcuni elettroni oppure far acquisire alcuni elettroni, questi corpi dobbiamo letteralmente strofinarli, da qui parliamo di strofinio. Tipici materiali isolanti sono quelli plastici, quelli ceramici come anche il vetro.

elettrizzazione per contatto nei conduttori

Invece ci sono alcuni oggetti attraverso i quali gli elettroni si muovono liberamente, possono addirittura scorrere e formare una vero e proprio flusso di carica (la corrente elettrica) se c’è una differenza di potenziale! Questi oggetti vengono chiamati conduttori ed in questo caso è sufficiente toccarli tra loro per far si che la carica possa passare da uno all’altro quindi possa avvenire questa forma di elettrizzazione dell’oggetto stesso. 

Esistono però altri due fenomeni legati sempre alle distribuzioni di carica che non riguardano propriamente l’elettrizzazione ma che fanno sì che gli oggetti possano attrarsi piuttosto che respingersi secondo un preciso meccanismo. Questi due fenomeni sono l’induzione per i conduttori e la polarizzazione per gli isolanti

fenomeno dell’induzione per i conduttori

Se abbiamo un corpo carico positivamente e lo avviciniamo ad un conduttore neutro all’interno di questo conduttore le cariche, proprio perché sono libere di muoversi, in particolare quelle negative, si sposteranno portandosi nella parte di conduttore più vicina all’oggetto carico positivamente. Di conseguenza ci sarà una distribuzione asimmetrica di carica, l’oggetto complessivamente resta neutro ma proprio perché la parte più vicina al corpo carico positivamente ha una maggiore densità di cariche negative allora il conduttore, seppur neutro, verrà attivato dall’altro oggetto. Se allontaniamo il corpo carico tutto torna alla situazione iniziale. Dunque non c’è stato nessun tipo di elettrizzazione ovvero di passaggio di carica ma la distribuzione delle cariche stesse all’interno del conduttore ha determinato il movimento stesso dell’oggetto

verifica sperimentale dell’induzione: l’elettroscopio

Un interessante strumento da laboratorio che serve per vedere se un corpo è carico si chiama elettroscopio. È utile con esso  vedere con i propri occhi il fenomeno dell’induzione. L’elettroscopio è un oggetto composto da un guscio esterno isolante che tiene sospeso al centro un corpo conduttore formato da una sfera di metallo collegata a due foglioline di materiale conduttore sempre metalliche, una di fronte all’altra. Se noi avviciniamo un corpo elettrizzato le cariche all’interno del corpo conduttore si distribuiranno: in particolare sulle due foglioline si distribuiranno cariche uguali quindi le due foglioline si allontaneranno fra loro!

fenomeno della polarizzazione per gli isolanti

Negli isolanti la situazione è differente: infatti in questi oggetti abbiamo detto che la carica non è libera di muoversi, in particolare possiamo immaginare le cariche organizzate a coppie, dette dipoli. Dunque se avviciniamo anche a questo isolante neutro un oggetto elettropositivo questi dipoli all’interno dell’isolante neutro si orienteranno, facendo sì che la carica negativa si affacci verso l’oggetto carico positivamente. Dunque complessivamente le cariche negative saranno più vicine all’oggetto positivo rispetto a quelle positive e quindi anche qui osserveremo un fenomeno di attrazione. Questo viene detto fenomeno della polarizzazione.

verifica sperimentale della polarizzazione: l’esperimento della penna e dei pezzetti di carta

Strappate un foglio in tanti pezzettini di carta e poggiateli su un tavolo. Dopodiché prendete una penna strofinatela in maniera rigorosa sul vostro maglioncino ed avvicinate la penna ai pezzetti di carta: i pezzetti di carta verranno attaccati dalla penna ma non perché siano elettrizzati! Semplicemente perché all’interno della carta (isolante) le cariche negative non so spostano ma semplicemente si orientano verso la penna elettrizzata e quindi anche qui avviene un fenomeno di attrazione senza aver elettrizzato i pezzetti di carta!