Polarizzazione elettrica
La polarizzazione elettrica è un fenomeno di elettrizzazione degli isolanti. Avvicinando un qualsiasi corpo carico a un isolante si manifesta una polarizzazione degli atomi dell'isolante più vicini al corpo carico, che complessivamente genera una forza attrattiva tra i due corpi.
Sappiamo che avvicinando un corpo carico a un conduttore neutro si verifica un'elettrizzazione per induzione. Cosa accade se al posto di un conduttore consideriamo un isolante?
Per quanto la polarizzazione elettrica sembri simile rispetto all'elettrizzazione per induzione, vedremo che in realtà vi sono delle differenze sostanziali tra i due fenomeni, sia per quanto riguarda i materiali coinvolti, sia nelle dinamiche a livello microscopico.
Fenomeno di polarizzazione degli isolanti
Per descrivere il fenomeno di polarizzazione elettrica partiamo come sempre da un esperimento. Consideriamo un isolante elettrico, come ad esempio un pezzo di vetro, e avviciniamovi un corpo elettricamente carico senza che vi sia contatto. Il corpo carico può essere indifferentemente conduttore o isolante e il segno della sua carica elettrica può essere positivo o negativo.
Quello che succede è che tra il corpo carico e l'isolante si crea una forza elettrica attrattiva che avvicina i due corpi. Tale fenomeno è dovuto alla polarizzazione dell'isolante e ha effetti analoghi a quelli visti per l'induzione elettrostatica con i conduttori, anche se il principio fisico che lo regola è molto diverso.
A differenza dei conduttori, sappiamo che negli isolanti gli elettroni sono fortemente legati ai nuclei atomici e non hanno la libertà di muoversi attraverso la struttura cristallina del corpo. Ciononostante nella polarizzazione la presenza del corpo carico "disturba" l'isolante a livello atomico. Cosa succede, e perché?
Cause ed effetti della polarizzazione elettrica
Cerchiamo di capire quali sono le cause della polarizzazione elettrica scendendo al livello microscopico.
Supponiamo che il corpo che avviciniamo all'isolante sia carico positivamente. Gli elettroni degli atomi dell'isolante più vicini al corpo carico risentono della forza attrattiva che si genera e tendono a spostarsi in modo da avvicinarsi ad esso, senza però abbandonare l'atomo cui appartengono.
Polarizzazione di un isolante.
Di conseguenza si manifesta una deformazione degli atomi, con gli elettroni non più distribuiti uniformemente attorno al nucleo e sbilanciati verso il corpo carico. Ciascuno di tali atomi rimane comunque elettricamente neutro nel proprio complesso, ma assume localmente una carica elettrica. Da qui si intuisce perché tale fenomeno prende il nome di polarizzazione: la vicinanza tra un corpo carico e un isolante polarizza gli atomi dell'isolante più vicini al corpo carico, costringendoli a distribuire la propria carica su due poli opposti.
In riferimento alla figura ciascun atomo presenta un polo in cui si sono concentrati maggiormente gli elettroni, e che quindi assume carica negativa; il polo opposto si trova quindi in deficit di elettroni e vi emerge una carica positiva dovuta ai protoni presenti nel nucleo. Ecco allora il motivo della rappresentazione (un po' schematica) degli atomi come ovali dotati di cariche opposte agli estremi.
Poiché la prima fila di atomi più vicini al corpo carico subisce tale deformazione, di riflesso anche la seconda fila ne risente gli effetti. Gli atomi in posizione più arretrata risentono della presenza della carica positiva creatasi sui poli interni della prima fila, e ciò determina una loro deformazione analoga a quella subita dai primi. A livello atomico la polarizzazione è una sorta di processo a cascata che diminuisce di intensità man mano che ci si allontana dal corpo carico all'interno dell'isolante.
L'effetto della polarizzazione elettrica consiste complessivamente in una forza elettrica attrattiva tra l'isolante e il corpo carico. A questo proposito si osserva che:
1) i poli degli atomi che assumono una carica di segno opposto rispetto al corpo carico generano una forza attrattiva;
2) i poli degli atomi che assumono una carica dello stesso segno rispetto al corpo carico generano una forza repulsiva;
3) la forza attrattiva 1) è più intensa della forza repulsiva 2), per il semplice fatto che la forza elettrica è tanto maggiore quanto minore è la distanza tra i due corpi che interagiscono (come vedremo quando studieremo la legge di Coulomb).
In definitiva la forza risultante generata dalla polarizzazione elettrica è attrattiva. L'effetto è identico anche nel caso in cui il corpo che avviciniamo all'isolante sia carico negativamente; per comprenderlo basta invertire i segni più e meno nel precedente disegno.
Analogamente all'elettrizzazione per induzione dei conduttori, anche la polarizzazione è un fenomeno temporaneo: nel momento in cui il corpo carico viene allontanato, l'effetto perturbativo svanisce e gli atomi dell'isolante ritornano nella loro configurazione iniziale.
Un semplice esperimento di polarizzazione elettrica
Per sperimentare dal vivo la polarizzazione elettrica possiamo affidarci a un semplice esperimento, che sicuramente vi sarà capitato di effettuare da piccoli.
Provate a strofinare energicamente su una maglia (meglio se di lana) una penna di plastica, in modo da elettrizzarla per strofinio; successivamente avvicinate la penna a dei piccoli pezzettini di carta. Come risultato vedrete i pezzetti di carta sollevarsi e appiccicarsi alla penna.
Quello a cui starete assistendo è un vero e proprio fenomeno di polarizzazione: la presenza della penna (corpo carico) induce gli atomi della carta (isolante) a comportarsi come abbiamo descritto in precedenza, generando una forza attrattiva.
Vi anticipiamo che riprenderemo questo discorso più avanti, nel corso di Elettrostatica. Dopo che avremo presentato le nozioni di campo elettrico e di dielettrico potremo infatti parlare, in termini più rigorosi, di polarizzazione del dielettrico e in particolare di polarizzazione per orientamento.
Ci fermiamo qui. Vi aspettiamo nella prossima lezione, dove ci occuperemo della conservazione della carica elettrica. In caso di necessità vi invitiamo a usare la barra di ricerca interna: qui su YM ci sono migliaia di esercizi svolti e altrettanti dubbi risolti dallo Staff. ;)
Buona Fisica a tutti!
Alessandro Catania (Alex)
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Tags: polarizzazione degli isolanti - elettrizzazione per polarizzazione dei materiali isolanti.
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