LA LEGGE DI COULOMB La legge di Coulomb descrive la forza che si esercita tra due cariche elettriche puntiformi, ovvero di dimensioni trascurabili rispetto.
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LA LEGGE DI COULOMB
La legge di Coulomb descrive la forza che si esercita tra due cariche elettriche puntiformi, ovvero di dimensioni trascurabili rispetto alla loro distanza
Charles Augustin de Coulomb (1736-1806)
LA LEGGE DI COULOMB
Per misurare le forze elettriche Coulomb utilizzò un dinamometro di precisione, la BILANCIA DI TORSIONE
LA LEGGE DI COULOMBUn’asta (bilanciere) regge due sferette metalliche identiche, 1 e 2. Il bilanciere è collegato ad un filo di quarzo retto da un dispositivo di sospensione
LA LEGGE DI COULOMBAlle due sferette del bilanciere vengono accostate altre due sfere, A e B, e tutte vengono caricate elettricamente (nell’esempio con carica positiva)+
++
+
LA LEGGE DI COULOMB
Le forze elettriche esercitate tra le sferette provocano una rotazione del bilanciere e quindi una torsione del filo
++
++
+
LA LEGGE DI COULOMB
L’angolo di rotazione viene rilevato da un raggio di luce riflesso dallo specchio solidale col filo. Questo angolo misura direttamente la forza applicata+
+
++
+
LA LEGGE DI COULOMB
La legge viene ricavata variando diversi parametri, ma gli unici che risultarono influenti furono:
• La distanza tra le sferette• La carica elettrica delle sferette
LA LEGGE DI COULOMB
La legge di Coulomb è ricavata dai dati sperimentali sul modello di quella di Newton della gravitazione
2AB
BA
r
mmGoF
LA LEGGE DI COULOMB
Due corpi puntiformi carichi esercitano l’uno sull’altro una forza direttamente proporzionale al prodotto delle cariche e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza
2AB
BA
r
QQF
rAB
A
B
LA LEGGE DI COULOMB
La costante di proporzionalità viene per convenzione scritta in questo modo:
Dove εo è detta COSTANTE DIELETTRICA DEL VUOTO
04
1
22120 /1085,8 mNC
LA LEGGE DI COULOMB
La legge di Coulomb diventa così:
204
1
AB
BA
r
QQF
LA LEGGE DI COULOMB
La legge così scritta è valida solo NEL VUOTO.Se le cariche si trovano in un mezzo materiale si introduce una costante correttiva εr detta COSTANTE DIELETTRICA DEL MEZZO
LA LEGGE DI COULOMB
La legge diventa così:
204
1
AB
BA
r r
QQF
LA LEGGE DI COULOMB
La costante dielettrica del mezzo varia a seconda del materiale, ed è solitamente maggiore di uno: questo significa che la forza elettrostatica è di solito inferiore nella materia piuttosto che nel vuoto
LA LEGGE DI COULOMB
• La costante dielettrica relativa del vuoto è uguale a 1• Nei gas è di poco superiore a 1• La costante dielettrica è un numero puro, non ha unità di misura• L’acqua ha una costante particolarmente elevata, circa 76; questo significa che le forze elettriche nell’acqua sono 76 volte più deboli che nel vuoto. Ciò spiega perché un solido ionico, il cui legame è elettrostatico, si scioglie in acqua
LA LEGGE DI COULOMB
L’esistenza della costante dielettrica relativa si spiega col fatto che le molecole, benché elettricamente neutre, sono polarizzate, cioè dotate di un polo positivo e uno negativo
LA LEGGE DI COULOMB
Un esempio eclatante, anche se non semplice, è l’acqua in cui dalla parte dell’ossigeno vi è un forte polo negativo
+
--
LA LEGGE DI COULOMB
Solitamente le molecole sono orientate a caso, così che gli effetti di tutti i poli microscopici si annullano e non danno alcun effetto macroscopico
LA LEGGE DI COULOMB
Ma in presenza di un campo elettrico, come quello prodotto tra le piastre di un condensatore carico, le molecole si orientano tutte allo stesso modo con i poli rivolti verso la piastra di segno opposto
++++++++++
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LA LEGGE DI COULOMB
Questo provoca un accumulo di poli positivi vicino alla piastra negativa e viceversa, con una conseguente riduzione della forza elettrica
++++++++++
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+
+
+
+
+
+
+
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-
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LA LEGGE DI COULOMB
E’ da notare che la carica sulle piastre è solo SCHERMATA non scaricata; se si rimuove il mezzo materiale la carica delle piastre rimane invariata
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LA LEGGE DI COULOMB
La polarizzazione delle molecole spiega perché anche gli isolanti privi di carica possono essere attratti da corpi carichi elettricamente
LA LEGGE DI COULOMBLe molecole del pezzo di carta sono orientate per effetto della penna carica negativamente e rivolgono di essa i loro poli positivi
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++ +
+
- - -
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LA LEGGE DI COULOMB
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Se allontaniamo la penna l’effetto della polarizzazione sparisce perché l’agitazione termica delle molecole distrugge immediatamente l’allineamento
LA LEGGE DI COULOMB
Non tutte le molecole sono polarizzate; per esempio quella della CO2 non lo è; potremmo pensare che in questo caso non vi è riduzione del campo elettrico
LA LEGGE DI COULOMB
Ma non è così; infatti la CO2 non ha una costante dielettrica pari a 1, come il vuoto, ma 1,001
LA LEGGE DI COULOMB
Ciò si spiega per il fatto che in presenza di un campo elettrico una molecola non polare si deforma e diventa polare
Molecola non polare
Formazione di poli per lo spostamento della nube elettronica verso la piastra positiva
- +
LA LEGGE DI COULOMB
La polarizzazione di un dielettrico è apparentemente simile a quella che subisce un conduttore posto vicino a un corpo carico (induzione elettrostatica)
CORPO INDUCENTE
CORPO INDOTTO
+ + +++
++
+
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LA LEGGE DI COULOMB
La somiglianza però è solo apparente: in un conduttore vi è un effettivo spostamento di particelle cariche, e nella parte negativa si crea una maggior densità di elettroni
MINORE DENSITA’ DI ELETTRONI
+
++
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MAGGIORE DENSITA’ DI ELETTRONI
LA LEGGE DI COULOMB
Nel caso della polarizzazione di un dielettrico c’è solo un diverso orientamento della molecola, senza spostamento di carica
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+
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+
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LA LEGGE DI COULOMB
Se colleghiamo a terra un conduttore soggetto a induzione possiamo caricarlo elettricamente, cosa impossibile per un isolante
CORPO INDUCENTE
CORPO INDOTTO
+ + +++
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