Elettricità statica — elettrizzazione, legge di Coulomb ed esempi

L'elettricità statica è una carica elettrica che si accumula su un oggetto invece di fluire come una corrente continua. Spiega perché un palloncino può attaccarsi a una parete, perché i vestiti scoppiettano nell'asciugatrice e perché puoi sentire una scintilla dopo aver camminato su un tappeto.

Nella maggior parte dei solidi di uso quotidiano, il modello più utile è che gli elettroni si spostano da un materiale a un altro. Se un oggetto acquista elettroni, diventa carico negativamente. Se perde elettroni, diventa carico positivamente.

Come si accumula l'elettricità statica

Contatto e separazione

Molti esempi di elettricità statica iniziano quando due materiali si toccano e poi si separano. Durante questo processo, alcuni elettroni possono trasferirsi da una superficie all'altra. Lo sfregamento può rendere l'effetto più intenso perché aumenta il contatto, ma non crea carica dal nulla.

Conduzione

Se un oggetto carico tocca un altro oggetto, la carica può spostarsi per contatto diretto. In seguito, i due oggetti possono condividere la carica, anche se il risultato dipende dai materiali e dal fatto che uno dei due oggetti sia collegato a terra oppure no.

Induzione

Un oggetto carico nelle vicinanze può anche ridistribuire le cariche all'interno di un altro oggetto senza toccarlo. Da sola, l'induzione di solito provoca una separazione di carica, non una carica netta permanente. Se si aggiunge la messa a terra nelle condizioni giuste, l'induzione può lasciare l'oggetto con una carica netta.

La legge di Coulomb per la carica statica

L'elettricità statica fa parte dell'elettrostatica, che studia le cariche in quiete. La principale legge della forza è la legge di Coulomb.

Per due cariche puntiformi nel vuoto,

$$F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2}$$

dove $F$ è il modulo della forza, $q_1$ e $q_2$ sono le cariche, $r$ è la distanza di separazione e $k \approx 8.99 \times 10^9\ \mathrm{N \cdot m^2/C^2}$.

Questa formula fornisce il valore della forza. I segni delle cariche ne indicano la direzione:

• cariche dello stesso segno si respingono
• cariche di segno opposto si attraggono

La legge di Coulomb si applica direttamente quando le cariche possono essere trattate come cariche puntiformi. Per oggetti reali come un palloncino o una parete, la carica è distribuita su una superficie, quindi la forza esatta è più complicata. Tuttavia, la legge mostra l'andamento fondamentale: cariche più grandi producono forze più intense e raddoppiare la distanza rende la forza quattro volte più piccola.

Esempio svolto: forza tra due cariche

Supponiamo che due piccole sfere cariche abbiano cariche

• $q_1 = 40\ \mathrm{nC} = 40 \times 10^{-9}\ \mathrm{C}$
• $q_2 = -20\ \mathrm{nC} = -20 \times 10^{-9}\ \mathrm{C}$
• $r = 5.0\ \mathrm{cm} = 0.050\ \mathrm{m}$

Trova il modulo della forza e stabilisci se è attrattiva o repulsiva.

Parti dalla legge di Coulomb:

$$F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2}$$

Sostituisci i valori:

$$F = (8.99 \times 10^9)\frac{|(40 \times 10^{-9})(-20 \times 10^{-9})|}{(0.050)^2}$$

Moltiplica le cariche:

$$|q_1 q_2| = 8.0 \times 10^\{-16\}\ \mathrm\{C^2\}$$

Eleva al quadrato la distanza:

$$r^2 = 2.5 \times 10^{-3}\ \mathrm{m^2}$$

Ora calcola la forza:

$$F = (8.99 \times 10^9)\frac{8.0 \times 10^{-16}}{2.5 \times 10^{-3}} \approx 2.9 \times 10^{-3}\ \mathrm{N}$$

Quindi il modulo della forza è circa $2.9\ \mathrm{mN}$. Poiché le cariche hanno segni opposti, la forza è attrattiva.

L'idea principale da ricordare è l'andamento con l'inverso del quadrato della distanza. Se la distanza raddoppiasse mentre le cariche restano uguali, la forza diventerebbe un quarto.

Perché un palloncino carico si attacca a una parete

Quando strofini un palloncino sui capelli o su un tessuto, una certa quantità di carica può trasferirsi al palloncino. Se avvicini quel palloncino carico a una parete, le cariche all'interno della parete si spostano leggermente. Questa polarizzazione può creare un'attrazione netta anche se la parete nel suo insieme resta elettricamente neutra.

Questo esempio mostra perché l'elettricità statica nella vita quotidiana riguarda spesso sia il trasferimento di carica sia la ridistribuzione delle cariche, non solo due cariche puntiformi isolate.

Errori comuni nell'elettricità statica

• Dire che lo sfregamento crea carica dal nulla. Di solito aiuta a trasferire carica tra materiali.
• Dimenticare che gli elettroni sono in genere le cariche mobili nei solidi di uso quotidiano.
• Usare la legge di Coulomb come se ogni oggetto reale fosse una carica puntiforme.
• Ignorare le unità quando si convertono nanocoulomb o centimetri nelle unità SI.
• Supporre che l'induzione lasci sempre una carica netta permanente. Di solito serve anche la messa a terra.

Dove si usa l'elettricità statica

L'elettricità statica è importante nelle fotocopiatrici, nelle stampanti laser, nei precipitatori elettrostatici, nella verniciatura a polvere e in alcuni processi industriali di separazione. È importante anche nella manipolazione dei dispositivi elettronici, dove una scarica elettrostatica può danneggiare componenti sensibili anche quando la scintilla è troppo piccola per essere notata.

Anche l'umidità conta. Nell'aria secca, la carica tende a restare più a lungo sulle superfici, quindi gli effetti elettrostatici sono spesso più facili da osservare.

Prova un problema simile sulla legge di Coulomb

Mantieni le stesse cariche dell'esempio svolto, ma cambia la distanza da $0.050\ \mathrm{m}$ a $0.10\ \mathrm{m}$. Calcola la nuova forza prima di usare la calcolatrice, poi verifica se il risultato con l'inverso del quadrato della distanza corrisponde alla tua intuizione.