Generatori Elettrostatici

di Giacomo Pirovano

Un generatore elettrostatico, o macchina elettrostatica è un dispositivo meccanico che produce tensioni elevate con correnti di intensità molto bassa. La tensione viene prodotta per induzione elettrostatica o sfruttando fenomeni triboelettrici L'induzione elettrostatica, o fenomeno dell'influenza, è un metodo che consente di utilizzare un oggetto caricato elettricamente per caricare elettricamente un secondo oggetto, senza contatto tra i due. L'effetto triboelettrico è un fenomeno elettrico che consiste nel trasferimento di cariche elettriche, e quindi nella generazione di una tensione, tra materiali diversi (di cui almeno uno isolante) quando vengono strofinati tra di loro. La parola che descrive il fenomeno deriva dal greco tribos, che significa appunto strofinio (da cui deriva anche tribologia: studio dei fenomeni di attrito, triboluminescenza: emissione luminosa di alcuni materiali per strofinio). L'ambra, per esempio, può caricarsi elettricamente in questo modo e attirare corpi leggeri. Questa proprietà era nota fin dall'antichità (Talete di Mileto VI secolo a.C., Teofrasto di Ereso, Plinio il vecchio), e portò alla nascita della parola "elettricità", dal nome greco dell'ambra: electron. Il fisico tedesco Otto Von Guericke (1602 - 1686) nel 1660 realizzò la prima macchina elettrostatica: si trattava di una sfera di zolfo che veniva fatta ruotare e, strofinata, generava elettricità. I fisici Francis Hauksbee (1666 - 1713), e Johann Heinrich Winkler (1703 - 1770) nel 1706 svilupparono una macchina elettrostatica con una sfera di vetro. Jesse Ramsden (1735-1800) fu autore di una macchina elettrostatica di larga diffusione. Il fenomeno dell'induzione elettrostatica è dovuto ad una ben precisa proprietà della carica: il bipolarismo, e cioè il fatto che in natura esistono cariche di due tipi diversi, le quali convenzionalmente vengono distinte da un segno positivo o negativo, e dal fatto che la diversità del segno delle cariche genera attrazione e nel caso di concordanza del segno repulsione. L'induzione elettrostatica si basa quindi sul principio di redistribuzione delle cariche, secondo cui un oggetto carico, posto vicino ad un conduttore neutro, è in grado di attrarre a sé le cariche di segno opposto e di respingere quelle dello stesso segno. Grazie a questa redistribuzione è possibile creare una carica parziale di segno opposto a quella dell'inducente con conseguente generazione di una forza attrattiva. I più famosi generatori elettrostatici furono l’elettroforo di Volta (1775), la macchina di Wimshurst (1880) ed il generatore di Van de Graaff(1929).



L'elettroforo, inventato da Volta, costituisce il primo esempio di macchina elettrostatica in grado di fornire, una volta caricata, elettricità in modo durevole e continuo, tanto da venire chiamata "elettroforo perpetuo". Sopra la schiacciata, preventivamente caricata per strofinio con un panno, si appoggia lo scudo, toccandolo con un dito per metterlo a terra. Tolto il collegamento con la terra si solleva lo scudo che risulta carico per il fenomeno dell'induzione elettrostatica. Senza che sia necessario strofinare ancora la schiacciata, si può appoggiare di nuovo su di essa lo scudo più volte, ottenendo così quantità di cariche anche elevate.

Come prima cosa si procede alla costruzione di uno o più elettrofori in laboratorio. E' importante che tutti gli studenti si sentano partecipi alla costruzione dello strumento. I materiali necessari sono facilmente reperibili: la schiacciata può essere sostituita con una piastrella di plexiglas.
Una volta costruito l'elettroforo, si spiega agli studenti come caricarlo, e si lascia loro il tempo di prendere confidenza con lo strumento.
Ecco una descrizione di come è fatto l'elettroforo:





VOLTA: CARICA DELL'ELETTROFORO

In uno scritto del 1779/1782, Volta fornisce alcuni ordinati chiarimenti e precisazioni, sui modi per caricare l'Elettroforo.
A metter in azione l'Elettroforo, conviene imprimere l’elettricità sulla faccia resinosa. Ciò fassi od eccitandola sopra la medesima immediatamente per isfregamento; o portandovela per comunicazione.
La lastra di mastice si può quindi caricare per strofinio o per contatto. Caricandola per contatto direttamente, il corpo elettrizzante, come la catena di una macchina elettrostatica oppure la pancia o l'uncino di una bottiglia di Leida, va portato in giro per tutta la superficie, che essendo infatti coibente trattiene l’elettricità dove le viene impressa. Caricandola invece attraverso lo scudo che già la copre, esso, che è conduttore, anche se si trova a contatto con il corpo elettrizzante in un solo punto, spargerà la carica su tutta la superficie del mastice. Tuttavia, sotto un certo aspetto, è meglio caricare la lastra nuda: lo scudo infatti non cede tutta la carica che riceve a sua volta, ma ne mantiene parte per sé: con questo metodo quindi occorre una "elettricità più forte".

Come anche nella lettera del 1775, Volta annota che, affinché l'apparecchio si mantenga carico per lungo tempo, anche per intere settimane, basta poi rinforzare di tanto in tanto l’elettricità del mastice mediante una piccola bottiglia di Leida, magari precedentemente caricata con l'elettroforo stesso. Se si è caricata la bottiglia dalla parte del bottone, si appoggia la sua parte esterna sul mastice e, tenendola per l'uncino, la si fa scorrere sopra di esso.
... se col mio scudo, allora pure che non mi dà se non scintille deboli, giungo a caricare anche debolmente una caraffa, posso contare d'aver in questa caraffa un ristoratore dell’elettricità indebolita ... col badar bene però di applicare al mastice non già l'uncino della caraffa, se questo ha ricevuto la carica dallo scudo, ma sibbene la pancia o la base ... e scorrendovi sopra per tutto, onde imprimere, dirò così, ad ogni punto la competente porzioncella di carica
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Questo è un estratto dalla spiegazione del funzionamento dell'elettroforo data dal Volta stesso in uno dei suoi scritti. Per leggere la versione completa della descrizione clicca qui.
Nelle attuali presentazioni didattiche si carica il mastice per strofinio, metodo che dal nostro punto di vista è meno problematico.

Ora che gli studenti hanno preso confidenza col funzionamento dell'elettroforo di Volta è bene che ragionino sul perchè, per caricarlo, occorre eseguire una serie di azioni quali strofinare la schiacciata inizialmente, appoggiare l'armatura, toccarla ecc... Si richiede allo studente di fornire una spiegazione schematica del funzionamento fisico di tale strumento, rispondendo ad alcune domande:
La "schicciata" è un materiale isolante; cosa avviene se lo strofiniamo con un panno di lana?
Conosci altri materiali che si comportano alla stessa maniera se strofinati?
Cosa avviene quando appoggiamo lo scudo, di materiale metallico, sulla schiacciata precedentemente caricata per strofinio? Come si dispongonoo le cariche nel materiale?
Perchè l'elettroforo di Volta funzioni è necessario, prima di sollevare lo scudo dalla schiacciata, toccarlo con un dito per metterlo a terra; cosa signfica? Come si muovono le cariche dello scudo, una volta toccato?
Se lo studente che tocca lo scudo indossasse scarpe che lo isolano perfettamente dal terreno, funzionerebbe ugualmente l'elettroforo?
E' realmente possibile caricare l'elettroforo ripetendo queste azioni all'infinito?
Si confrontino le risposte dei vari studenti lasciando che discutano fra di loro per ottenere posizioni condivise.
Si confrontino poi tali posizioni con la spiegazione del funzionamento dell'elettroforo di Volta fornita nel seguente video.

La spiegazione del funzionamento vero e proprio di tale strumento è ben esposta nel video seguente:





Costruire un elettroforo diVolta non è affatto complicato. Eccolo in azione (la schiacciata era stata caricata precedentemente per strofinio):





La macchina di Wimshurst è uno storico generatore elettrostatico per generare alti voltaggi, e fu sviluppata nel 1880 dall'inventore britannico James Wimshurst (1832 – 1903). L'aspetto è particolare ed è caratterizzato da due dischi montati in verticale che ruotano in direzione opposta e due sfere metalliche per la scarica. Produce scariche elettriche di una lunghezza variabile.

Non è raro trovare almeno un generatore elettrostatico di questo tipo in un laboratorio.
Se si dispone di tale macchina la si può azionare mostrando agli studenti le scintille prodotte. a questo punto si chiede nuovamente loro di spiegarne in maniera dettagliata il funzionamento.
Cosa succede alle cariche dei dischi?
Perche essi sono fatti ruotare in versi opposti?
Cosa succederebbe se mettessimo in contatto le due estremità dalle quali è prodotta la scintilla?
E' bene che anche in questo caso gli studenti si confrontino sulle opinioni che hanno a riguardo del funzionamento fisico dello strumento e cerchino di raggiungere un'idea comune.
Come prima tale idea comune viene confrontata con la spiegazione seguente.
Di grande aiuto è il video qui a lato.


Il funzionamento consiste nel far ruotare due dischi di materiale isolante in senso opposto. Sulle parti esterne dei dischi sono incollati dei settori metallici che vengono strofinati da alcuni pettini e a loro volta caricano dei condensatori (bottiglia di Leida). Quando questi ultimi hanno accumulato una quantità sufficiente di carica elettrica, l'elevata differenza di potenziale tra i poli della macchina fa scoccare una scintilla. La macchina non ha bisogno di alimentatori elettrici per creare la carica iniziale. Ha invece bisogno di lavoro meccanico per far girare i dischi. Quando produce scintille di notevole lunghezza (dell'ordine dei 10-15 cm) diviene un debole emettitore di raggi X.








Il generatore di Van de Graaff è una macchina elettrostatica in grado di accumulare una notevole quantità di carica elettrica in un conduttore, creando tra questo ed un elettrodo di riferimento, solitamente messo a terra, un'altissima tensione (si può arrivare fino a milioni di Volt). Fu inventata verso la fine del 1929 dal fisico statunitense Robert Van de Graaff (1901-1967), da cui prende il nome.
Un generatore di questo tipo è composto sostanzialmente da una cinghia di materiale isolante tesa tra due pulegge e mantenuta in rotazione da un motore. La cinghia viene caricata per induzione da una serie di punte metalliche (effetto punta) poste in prossimità di una delle due pulegge e collegate ad un generatore di tensione continua (ad esempio una batteria). Queste cariche vengono poi trasportate per azione del motore all'interno di un conduttore di forma sferica isolato, dove un secondo pettine metallico collegato elettricamente alla sfera le trasferisce sulla superficie di quest'ultima. Se non si spegne la macchina il processo si arresta quando la tensione della sfera è sufficiente a produrre scariche elettriche attraverso gli isolanti di sostegno (rottura dielettrica) o attraverso l'aria circostante (ionizzazione dell'aria).
Il tipico esperimento che si fa nelle scuole è quello di avvicinare alla sfera in tensione un conduttore posto a massa e di osservare la scarica che si genera in modo analogo ai fulmini.

Ben più raro nei laboratori didattici delle scuole è trovare un generatore di Van de Graaff, ma non impossibile. Se si dispone di tale strumento è utile mostrare agli studenti alcune applicazioni: produrre la scarica tipo fulmine sopra citata, appoggiare su di esso una pila di piattini di plastica e osservarne l'effetto, far toccare lo strumento ad uno studente dai capelli lunghi e osservare che effetto è prodotto ecc...
Per ognuno di tali esperimenti è bene che gli studenti trovino la spiegazione fisica che li produce.
Nel caso non si disponga dello strumento sono disponibili nel web moltissimi video degli esperimenti appena citati. Di seguito un esempio.

Ecco un divertente effetto di questa macchina elettrostatica.

Visto il video un paio di volte si chiede agli studenti di spiegare il fenomeno appena visto:
Perchè i pezzetti di carta si diffondono nel laboratorio?
















Abbiamo cercato di introdurre lo studente al funzionamento di tre dei più importanti generatori elettrostatici; queste brevi descrizioni non possono però essere esaustive, necessario e consigliato è approfondire l'argomento attraverso i link forniti ed i riferimenti.
Ora sarà interessante trarre delle conclusioni generali su cosa sia un generatore elettrostatico, come funzionano i tre generatori presentati e secondo quali principi fisici.
con le riposte a queste domande si produca una mappa concettuale che le riassuma.
Sarebbe interessante proporre questo percorso didattico a classi diverse (per esempio ogni anno proporlo a una classe) e poi confrontare le mappe concettuali prodotte alla fine dell'esperienza.



Riferimenti:
Le informazioni e i video riguardanti l'elettroforo di Volta sono stati presi dal sito http://ppp.unipv.it/web/Pagine/Navigazione.htm, pagina interamente dedicata al gabinetto scientifico di Volta. La navigazione interattiva consente di conoscere moltissimi degli strumenti ideati dallo scienziato; per trovare l'elettroforo bisogna cercarlo sul tavolo (posizione 6).
Ulteriori riferimenti e possibili approfondimenti: www.wikipedia.it .

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