Elettricità statica: definizione, come funziona, fatti (con esempi)

La carica elettrica è tutto intorno a te, ma te ne accorgi davvero solo in rare occasioni, come quando i tuoi capelli si rizzano dopo ti togli un cappello o quando ricevi uno zapping acuto quando allunghi la mano per toccare qualcosa dopo aver strofinato i piedi lungo il tappeto.

Questi due fenomeni sono esempi dielettricità statica, qualcosa che probabilmente hai imparato quando eri un bambino. Ma in che modo la carica statica fa rizzare i capelli e perché può darti uno shock statico?

Cosa sta realmente succedendo a livello atomico che produce queste esperienze universali? Imparare i dettagli sull'elettricità statica ti dà una visione molto più dettagliata di questa affascinante proprietà della materia.

La carica elettrica è una proprietà fondamentale della materia. È separato in cariche positive e cariche negative, e sebbene alcune particelle siano elettricamente neutri – come il neutrone – questi sono in realtà composti da elementi ancora più fondamentali particelle chefareportare una carica elettrica.

Le due particelle cariche più importanti da conoscere quando si impara a conoscere l'elettricità statica sono due dei componenti principali di un atomo: protoni ed elettroni.

I protoni sono caricati positivamente, con una carica di +e, mentre gli elettroni sono caricati negativamente a –e, dovee​ = 1.602 × 10⁻¹⁹ c. La C qui sta percoulomb, che è l'unità SI per la carica elettrica. il 10⁻¹⁹ ti dice che le particelle cariche hannomolto piccolovalori di carica rispetto a un coulomb: due cariche di appena 1 C separate da un metro genererebbero una forza maggiore della spinta della spinta di lancio del razzo Saturn V!

La regola fondamentale per il funzionamento della carica elettrica è che le cariche opposte si attraggono e le cariche uguali si respingono. Quindi, se portassi un elettrone vicino a un altro elettrone, si allontanerebbero, mentre se portassi un elettrone vicino a un protone, ne verrebbe attratto.

Al livello più elementare, l'elettricità statica si riferisce semplicemente a cariche che non si muovono. Tuttavia, c'è molto di più! La cosa fondamentale dell'elettricità statica è che si verifica quando c'è uno squilibrio di carica e questo squilibrio essenzialmente creaPotenziale elettrico, il che significa che esiste la possibilità che la corrente elettrica fluisca (per riequilibrare la carica) a causa delle posizioni delle particelle portatrici di carica.

Negli atomi, e per estensione nella maggior parte degli oggetti quotidiani, c'è un equilibrio tra il positivo e il negativo cariche (cioè tra i protoni e gli elettroni), quindi sono elettricamente neutri se considerati tutti insieme.

Quindi se avvicinassi un atomo a un altro, non ci sarebbe forza elettrica tra di loro perché tutti delle cariche positive sono bilanciate da cariche negative, quindi non c'è carica netta per generare a vigore.

Anche se è davvero un po' più complicato di così (perché gli elettroni si muovono sempre, quindi non lo fannosemprebloccare la carica positiva dai protoni), questa situazione neutra crea un netto contrasto con ciò che accade quando c'è un accumulo di carica statica.

In sostanza, quando un oggetto (come i tuoi capelli dopo averci strofinato sopra un palloncino) guadagna un eccesso o un deficit di carica (quindi più o meno elettroni rispetto al suo stato ordinario), allora non è più neutro e può generare ciò che chiami statico elettricità. Al contrario, l'elettricità ordinaria è amovimento continuodi carica (sotto forma di elettroni in una corrente elettrica), mentre l'elettricità statica non comporta movimentofino ale cariche si riequilibrano a vicenda - e forse ti danno un forte colpo nel processo!

L'elettricità statica dipende fondamentalmente da uno squilibrio tra cariche positive e cariche negative, ma in realtà sono solo gli elettroni che si muovono effettivamente per creare questo squilibrio.

In un atomo, i protoni sono strettamente legati nel nucleo (insieme ai neutroni), ed entrambi sono considerevolmente più pesante degli elettroni con carica negativa che rimangono in una "nuvola" intorno all'esterno del nucleo.

Poiché queste particelle più leggere sono all'esterno, quando un oggetto entra in contatto con un altro è il elettroni che possono trasferirsi tra di loro, e sfregandoli insieme aumenta la velocità di carica costruire. Quindi, se un oggetto raccoglie elettroni in più, si carica negativamente, mentre se perde elettroni si carica positivamente.

I materiali isolanti trattengono bene una carica statica, mentre un buon conduttore manterrà una carica statica solo in determinate situazioni. Un conduttore a cui vengono dati elettroni in più non mantiene una carica statica perché gli elettroni possono fluire liberamente attraverso il materiale (che è la definizione di un buon conduttore).

Quindi qualsiasi accumulo di carica si dissipa troppo rapidamente per creare elettricità statica notevole e può trasferirsi in altri oggetti a meno che non sia completamente isolato dal resto dell'ambiente. Poiché la corrente non può fluire in un isolante, l'accumulo di elettricità statica crea rapidamente un notevole squilibrio di carica e quindi genera elettricità statica.

Poiché le cariche simili si respingono e le cariche opposte si attraggono, quando qualcosa ha una carica statica si attaccherà a oggetti con carica opposta, e talvolta può anchepolarizzareatomi in un oggetto altrimenti neutro e si attaccano anche ad esso - il modo in cui un palloncino si attacca a un muro dopo averlo strofinato sulla testa.

Se l'accumulo di carica è abbastanza grande e si ottiene una tensione relativamente alta tra le due superfici o oggetti, la carica può saltare da un oggetto all'altro. Questo è il motivo per cui puoi ottenere uno zap dallo shock statico se strofini i piedi sul pavimento e poi tocchi una maniglia.

Ci sono molti esempi di elettricità statica che incontrerai nella vita di tutti i giorni, anche se non pensi necessariamente al ruolo che la carica statica svolge nel loro funzionamento.

Un esempio particolarmente comune è l'elettricità statica nei vestiti, soprattutto dopo aver usato l'asciugatrice, che mantiene le condizioni ideali per elettricità statica per svilupparsi e comporta anche lo sfregamento dei vestiti l'uno contro l'altro e la potenziale acquisizione di elettroni extra sul modo. Lo shock statico dei vestiti caricati in questo modo tende ad essere piuttosto piccolo, ma sicuramente lo noti ancora quando ne prendi uno!

Le fotocopiatrici sono un ottimo esempio di come l'elettricità statica può essere sfruttata al meglio. La luce intensa che scansiona il documento crea un'"ombra" elettrica dell'immagine su un fotoconduttore (es. sensibile alla luce) e mentre ruota, raccoglie particelle di toner caricate negativamente a causa dell'elettricità statica caricare.

Al di sotto di questo, un'altra cintura porta un foglio di carta, conferendogli una forte carica statica positiva nel processo. Quando le cariche negative del toner incontrano le cariche positive sulla carta, il toner si imprime stesso sul pezzo di carta, nello stesso schema dell'ombra catturata dal fotoconduttore cintura.

Un altro esempio dovrebbe riportarti a una lezione di fisica a scuola: il generatore di Van de Graaff e la classica dimostrazione in cui qualcuno che tocca la sfera ha i capelli ritti. Il generatore funziona in base al movimento delle cariche elettrostatiche, con un nastro mobile che corre lungo la lunghezza del dispositivo e due "pettini" metallici per controllare la carica statica.

Un pettine caricato positivamente nella parte inferiore (collegato a una fonte di elettricità) attira gli elettroni dalla cintura, lasciandola con una carica netta positiva, e questa carica viene raccolta da un pettine in alto, che la diffonde alla grande cupola al superiore. Se tocchi la cupola durante il processo di ricarica, le singole ciocche dei tuoi capelli raccolgono cariche corrispondenti e si respingono a vicenda, facendole rizzare!

I fulmini sono una dimostrazione molto drammatica del potere dell'elettricità statica, e Benjamin Franklin lo ha dimostrato in una delle dimostrazioni scientifiche più conosciute di tutti i tempi legando una chiave a una corda di aquilone bagnata durante un temporale.

Mentre è un mito che l'aquilone sia stato effettivamente colpito da un fulmine (questo avrebbe probabilmente ucciso Franklin), il campo elettrico del tempesta è stato raccolto dalla corda, che - proprio come la classica dimostrazione del generatore Van de Graaff - ha fatto stare i fili dello spago su fine. Alla fine, Franklin toccò la chiave e sentì lo zapping di una scarica statica, dimostrando chiaramente il legame tra elettricità e fulmini.

Naturalmente, gli scienziati hanno fornito molti più dettagli sul processo sin dai tempi di Benjamin Franklin. Proprio come i vestiti che si sfregano l'uno contro l'altro nell'asciugatrice o un palloncino che si sfrega contro i capelli, la carica statica che crea fulmini viene dall'attrito e dai cristalli di ghiaccio nell'aria fredda che incontrano le goccioline d'acqua dall'aria calda massa.

La carica si accumula in punti diversi nel cloud e quando c'è una differenza sufficientemente elevata in potenziale elettrico tra questi luoghi (cioè una tensione sufficientemente alta), viene rilasciato sotto forma di a fulmine. Questo di solito si verificaentronuvole o tra due nuvole, ma ogni tanto il fulmine colpirà il suolo.

L'accumulo di carica statica causato dall'attrito e dallo sfregamento è tecnicamente chiamato il effetto triboelettrico, e in base a questo articolo conosci già i dettagli di ciò che provoca questo e come funziona. Gli oggetti che entrano in contatto l'uno con l'altro portano uno di loro a raccogliere elettroni extra (tutti ( portando cariche negative) e l'altro sviluppando un deficit di elettroni e quindi una rete positiva caricare.

Tuttavia, il grado in cui diversi materiali raccolgono carica negativa o perdono elettroni e acquisiscono una carica positiva varia in base alle caratteristiche del materiale. Mentre gli isolanti sono generalmente migliori nel raccogliere la carica statica, diversi isolanti la raccolgono a velocità diverse.

Ad esempio, la maggior parte dei tipi di gomma, e in particolare il Teflon, catturano gli elettroni molto facilmente e come tali sono ottimi per dimostrazioni e pezzi di tecnologia dipendenti dall'elettricità statica. I materiali differiscono in base alla loro "elettronegatività", che sostanzialmente significa la loro affinità elettronica o la loro tendenza a raccoglierli da altri oggetti.

La serie triboelettrica mette in ordine diversi materiali in base alla loro capacità di captare una carica statica positiva o negativa. Gli oggetti posizionati verso la parte superiore della serie triboelettrica sono inclini a raccogliere una carica positiva, mentre quelli in basso hanno maggiori probabilità di guadagnare elettroni e raccogliere una carica negativa come a risultato. Maggiore è la separazione tra due elementi della serie triboelettrica, più lo sfregamento tra loro creerà una carica statica in entrambi.

Mentre la maggior parte delle dimostrazioni di elettricità statica sono spettacoli divertenti o curiosità minori che tu incontro nella vita di tutti i giorni, è importante ricordare che la carica statica indesiderata può avere gravi conseguenze conseguenze.

Ad esempio, una singola scintilla di elettricità statica può incendiare liquidi o gas infiammabili e potenzialmente provocare un'esplosione. L'accumulo di elettricità statica dovuto allo scivolamento sul seggiolino dell'auto potrebbe anche potenzialmente causare un problema quando tratta di fare il pieno di benzina, quindi dovresti sempre toccare la parte metallica dell'auto prima di fare il pieno su.

Ovviamente,maggior partedel tempo l'elettricità statica è davvero solo un fenomeno interessante, ma capire come funziona può aiutarti a evitare la catastrofe in alcune situazioni.