Elettrizzazione per induzione
L'elettrizzazione per induzione (detta anche induzione elettrostatica) è un fenomeno per cui un conduttore neutro e isolato, trovandosi in prossimità di un corpo carico, reagisce ridistribuendo i propri elettroni e generando cariche opposte sulla propria superficie, rimanendo complessivamente neutro.
Dopo aver studiato l'elettrizzazione per strofinio e l'elettrizzazione per contatto siamo pronti per passare al terzo metodo con cui un corpo può acquisire delle cariche elettriche: l'elettrizzazione per induzione.
In questa lezione descriveremo l'induzione elettrostatica prendendo come riferimento un semplice esperimento. Ne analizzeremo le cause a livello microscopico e i relativi effetti; in seguito ci soffermeremo sulla carica complessiva, e vedremo come preservare la carica indotta sul conduttore neutro quando si esaurisce l'interazione con il corpo carico.
Fenomeno di elettrizzazione per induzione
L'elettrizzazione per induzione è un metodo di elettrizzazione simile a quello per contatto, con la differenza che avviene a distanza. Il punto in comune tra i due fenomeni sta nel fatto che i corpi che vengono elettrizzati devono essere necessariamente conduttori elettrici; nel caso degli isolanti elettrici invece l'unico fenomeno di rilievo è quello della polarizzazione elettrica, che tratteremo nel seguito.
Facciamo riferimento a un semplice esperimento di elettrizzazione per induzione. Consideriamo una sfera conduttrice, inizialmente neutra, e supponiamo che sia poggiata su un materiale isolante, in modo che la carica elettrica che acquisirà nel corso dell'esperimento non si disperda.
Avviciniamo alla sfera un corpo carico, ad esempio una bacchetta. Per fissare le idee supporremo che essa sia carica positivamente, ma l'analisi varrà in modo analogo (con le opportune variazioni del caso) anche considerandola carica negativamente.
È fondamentale far sì che non vi sia alcun contatto tra la bacchetta e la sfera; bisogna dunque stare attenti ad avvicinare la bacchetta facendo in modo che ci sia sempre dello spazio libero tra i due corpi.
Cosa succede? Sulla porzione di superficie della sfera più vicina alla bacchetta compare una carica negativa, mentre sulla parte opposta della sfera compare una carica uguale in modulo e di segno opposto.
Esperimento di elettrizzazione per induzione.
Cause ed effetti dell'elettrizzazione per induzione
Il fenomeno di elettrizzazione per induzione si spiega analizzando le caratteristiche microscopiche tipiche di un conduttore. Sappiamo infatti che in un materiale conduttore esistono degli elettroni liberi di muoversi attraverso il materiale, in quanto poco legati ai rispettivi nuclei atomici.
Nel nostro esperimento gli elettroni liberi risentono della presenza della bacchetta carica positivamente. Poiché essi hanno carica di segno opposto rispetto ad essa, subiscono una forza elettrica attrattiva e si spostano attraverso la sfera, fino a depositarsi sulla sua superficie nella zona più vicina alla bacchetta. Il risultato è che su tale parte della superficie compare una carica negativa che prima non c'era. Al contrario sulla porzione di superficie diametralmente opposta della sfera si viene a creare un deficit di elettroni: vi si genera quindi una carica positiva, dovuta alla presenza di protoni non più controbilanciati dai rispettivi elettroni.
Da un punto di vista quantitativo le cariche di segno opposto sulle due parti della sfera sono uguali in valore assoluto. Esse infatti dipendono dal numero degli elettroni che si sono spostati: poiché il numero di elettroni in eccesso sulla parte della sfera vicina alla bacchetta è uguale al numero di elettroni in difetto sulla parte opposta, è chiaro che le due cariche assumono lo stesso valore numerico e che hanno segni opposti.
Quest'ultima constatazione discende dal fatto che la sfera era inizialmente neutra, e che con l'induzione esercitata dalla bacchetta carica continua a rimanere complessivamente neutra. Ricordiamo infatti che non vi è stato alcun contatto tra i due corpi e che la sfera è poggiata su un materiale isolante, che impedisce alla carica elettrica di trasferirsi altrove.
In sintesi l'effetto dell'elettrizzazione per induzione riguarda conduttori neutri e isolati posti in prossimità di corpi carichi, e consiste in una ridistribuzione dei loro elettroni. Nel nostro esempio gli elettroni della sfera si spostano da una parte all'altra sulla superficie, ma la somma di tutte le cariche elettriche presenti sulla sfera rimane nulla.
Preservare la carica elettrica indotta
La sola vicinanza della bacchetta carica induce le cariche elettriche a distribuirsi sulla superficie della sfera conduttrice. Tale condizione però è temporanea: se infatti si allontana la bacchetta, il suo effetto perturbativo sugli elettroni della sfera svanisce. Di conseguenza gli elettroni liberi non risentono più di alcuna forza attrattiva e si ridistribuiscono in modo uniforme, facendo tornare la sfera alle condizioni originarie. La carica sulla superficie quindi scompare.
Come possiamo allora elettrizzare per induzione un corpo e preservare la carica? Quando la bacchetta è vicina alla sfera e sono comparse le cariche sulla sua superficie, possiamo toccarla con un dito o con qualunque altro materiale conduttore collegato a terra, ad esempio un filo metallico.
Preservare la carica elettrica nell'induzione elettrostatica.
Con riferimento alla figura la carica positiva in eccesso sulla parte destra abbandona la sfera e si disperde verso il terreno. Se poi togliamo il dito, o il filo, sulla sfera sarà rimasta solo la carica negativa indotta dalla bacchetta. Se infine allontaniamo anche la bacchetta, la carica negativa in eccesso sulla parte sinistra si ridistribuisce in modo uniforme su tutta la sfera, che apparirà complessivamente con carica elettrica negativa. Così facendo abbiamo effettivamente elettrizzato il conduttore per induzione.
Nella prossima lezione parleremo della polarizzazione degli isolanti, un fenomeno per certi versi analogo rispetto all'induzione elettrostatica e per altri molto diverso. Come sempre vi ricordiamo che qui su YM potete trovare tutto quello che vi serve con la barra di ricerca interna: ci sono migliaia di esercizi svolti e altrettante spiegazioni fornite dallo Staff. ;)
Buona Fisica a tutti!
Alessandro Catania (Alex)
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