Strofin├Čo e macchine elettrostatiche

di Stefano Torresani



Lo scopo della proposta didattica seguente è quello di arrivare a comprendere il fenomeno dell'induzione elettrostatica, e di capire il suo ruolo nel funzionamento della macchina elettrostatica e dell'elettroforo di Volta. Per un'esposizione il più possibile lineare e completa, si partirà da un'esperienza per mostrare l'elettrizzazione per strofinìo, dato che anche questa avrà un ruolo fondamentale nel funzionamento dei dispositivi appena nominati.
Questa esperienza può essere svolta in un ciclo di incontri, magari alternando lezioni in laboratorio con altre di discussione dei fenomeni osservati.
Le parti scritte con un carattere più grande possono essere viste come quelle da proporre agli studenti (anche se alcuni video inseriti non hanno la finalità di essere visti dai ragazzi ma semplicemente di mostrare qui gli esperimenti), mentre quelle più in piccolo come un commento all'attività.



La parola elettricità deriva dal greco ηλεκτρον, che significa ambra: secondo la tradizione, infatti, i primi esperimenti furono effettuati dal filosofo greco Talete, che strofinando questo materiale osservò alcuni fenomeni di attrazione. Possiamo quindi provare a ripetere il suo esperimento, magari utilizzando materiali più "moderni", segnando i risultati ottenuti. Strofiniamo con un panno di lana delle bacchette fatte di materiali diversi (plastiche differenti, metallo), e vediamo cosa succede quando le avviciniamo a diversi tipi di plastiche e pezzetti di carta.


Avete altre idee, su materiali che possono essere attirati?



L'esperimento (che si svolge sostanzialmente come si vede nel primo video) non presenta particolari difficoltà,tanto che viene spesso eseguito anche nella scuola secondaria di primo grado, ma coinvolge diversi aspetti su cui è possibile aprire un confronto in classe: la differenza tra isolanti e conduttori, ad esempio, oppure la presenza di cariche con caratteristiche differenti (positive-negative).
Può essere utile non dare ai ragazzi una scaletta comprendente tutte e sole le cose che devono fare, ma lasciare loro uno spazio di "creatività" in cui poter richiamare alla mente esperienze già vissute e non esaminate con attenzione, in modo da poter vivere il loro esperimento. Questo, oltre a coinvolgerli maggiormente (dato che riguarda i loro interessi) ha anche un effetto mnemonico non indifferente: ci si ricorda più facilmente le cose che piacciono! Ovviamente non si dice di lasciare i ragazzi liberi di fare tutto quello che vogliono (magari la situazione del secondo video è esagerata), ma di spronarli per trovare i collegamenti con le esperienze quotidiane che abbiamo appena accennato (in questo senso il video è significativo).
Alla fine dell'esperienza, con il metodo del brain-storming, si può cercare di capire quali siano i punti importanti del lavoro appena svolto, ed è possibile riorganizzarli in una mappa concettuale: questa ha l'indubbio merito di obbligare i ragazzi ad un lavoro di sintesi che al contempo sveli i vari collegamenti tra i punti evidenziati da loro stessi.




Con lo strofinìo si possono poi costruire macchine elettrostatiche che hanno catturato l'attenzione degli scienziati nel XVII e XVIII secolo. La prima che andiamo a vedere viene chiamata semplicemente "macchina elettrostatica" (nella fattispecie, macchina elettrostatica di Ramsden). Vediamone la descrizione.
Si possono effettuare alcuni esperimenti, per "toccare con mano" gli effetti.



Cosa si è osservato durante questa prova?

Nel corso del tempo sono state apportate varie modifiche alle macchine elettrostatiche, per migliorare il rendimento od ottenere risultati diversi. Ad esempio, la prima macchina elettrostatica realizzata (1672), che prende il nome dal suo creatore, Otto von Guericke, prevedeva l'utilizzo di una sfera di zolfo che funzionava per sfregamento con le mani dello sperimentatore (sfregamento che causava una luminescenza). Per arrivare alla sfera di vetro fu necessario l'intervento di Hauksbee
, che la utilizzò per osservare meglio il fenomeno. Altri modificarono la macchina di Hauksbee inserendo dei collettori metallici per utilizzare la carica per altri esperimenti. Ad arrivare ad una configurazione più simile a quella del video fu Hausen, che suggerì di mettere in rotazione la macchina mediante una ruota. Winkler, infine, utilizzò dei panni di lana per lo sfregamento, che andarono a prendere il posto delle mani degli sperimentatori.
Altre modifiche cambiano radicalmente la potenzialità dello strumento: il seguente modello di macchina (macchina elettrostatica di Nairne), a differenza di quella di Ramsden, presenta due conduttori:



Il dispositivo del filmato è composto da un cilindro di vetro che ruotando sfrega contro uno strato di cuoio imbottito di crine (a sua volta collegato ad un conduttore cilindrico di ottone). Dalla parte opposta si trovano invece delle punte metalliche che sfiorano il vetro, collegate ad un altro conduttore di ottone.
Come mai si osserva la scarica tra i due conduttori?

Ecco una macchina a due conduttori esposta al Museo della Tecnica Elettrica di Pavia:




Lo scopo di queste esperienze è arrivare a comprendere il fenomeno dell'induzione elettrostatica, alla base del meccanismo di queste macchine. Il loro funzionamento non è complicato, come si vede dal video


ma richiede un certo lavoro da parte dei ragazzi. Si vuole arrivare in pratica a descrivere la situazione partendo dall'osservazione del fenomeno. La presentazione dei due differenti tipi di macchina elettrostatica (Ramsden e Nairne) può aiutare in questo senso, dato che presentano due effetti diversi (anche se collegati) di uno stesso fenomeno: la scarica e l'elettrizzazione.
La presentazione, anche se rapida, delle varie modifiche subite dalla macchina elettrostatica, permette ai ragazzi di avere un esempio di come la strumentazione per un esperimento può essere modificata nel tempo per arrivare all'osservazione di caratteristiche sempre più precise (prima si osservava solo la luminescenza, poi solo la carica, infine cariche diverse), favorendo dunque un concetto "dinamico" della Fisica: le risposte ad alcune domande consentono l'esplorazione di settori diversi che a loro volta portano nuove domande...
Un altro fattore di coinvolgimento riguarda la costruzione in prima persona delle macchine utilizzate: qui viene mostrato come sia possibile costruirne una a basso costo.



Un problema delle macchine elettrostatiche risultava però essere il loro ingombro. Fu questo uno dei motivi (anche se non il principale) che portò a salutare con gratitudine l'invenzione di un'altra macchina elettrostatica: l'elettroforo, costruito da Alessandro Volta.
L'elettroforo è costituito da una base metallica su cui poggia un "piatto" di materiale isolante (vetro o resina) elettrizzabile per strofinìo (o altre modalità), che prende il nome di schiacciata, e da un disco metallico (scudo) munito di un manico isolante (o di fili) per poterlo spostare senza toccarlo direttamente. Una volta elettrizzata la schiacciata, si posa lo scudo su di essa e si tocca la superficie superiore. Sollevando il disco e toccandolo, si avverte una scossa elettrica: vuol dire che il disco è stato elettrizzato. Cosa è successo?


Si può osservare un effetto simile a quello della macchina elettrostatica di un filmato precedente, mediante questo esperimento


che può aiutare a comprendere meglio il fenomeno che ne sta alla base.
Ecco una chiara spiegazione del fenomeno:



La caratteristica saliente dell'elettroforo, però, è un'altra. Sentiamola direttamente da Volta (il testo completo si può trovare qui):

"IX. Caricata la faccia resinosa, vale a dire impressavi in qualunque modo l’elettricità, e passatovi sopra lo scudo isolato nel mezzo, toccate or questo col dito, vi darà una piccola, ma pungente scintilla: Che se toccate a un tempo con un’altro dito anche il piatto, ne rileverete una commozione proporzionata alla grandezza dell’Elettroforo (il quale, come ben si comprende, è un vero quadro Frankliniano), e alla forza della carica.
X. Dopo il toccamento, ossia dopo tale scarica, con cui sembra estinta ogni elettricità, alzando per i suoi cordoncini lo scudo, eccolo rivestito di virtù elettrica: esso vi scaglia vivace scintilla contro la nocca del dito, o un pezzo di metallo che gli presentiate: scintilla che balza a molto maggior distanza che quella uscita prima dallo stesso scudo allorchè copriva la faccia della resina, e fu toccato (§ preced.).
XI. Posato lo scudo un’altra volta sulla faccia resinosa, e toccato come innanzi, vi torna a dare la piccola pungente scintilla, oppure la vera scossa se toccate insiememente anche il piatto; ma la scintilla, e la scossa sono questa volta men gagliarde d’assai, cioè quali può dar una piccola carica ( § 9). Sollevato di bel nuovo vibra lo scudo la sua scintilla forte e allegra nella mano nulla meno che la prima volta (§ preced.): e così poi sempre proseguendo ad alzarlo, ed abbassarlo cogli alternati toccamenti e dieci, e cento, e mille volte, per ore, per giorni, per mesi, avrete sempre la piccola scarica dallo scudo posato, e la vivace scintilla dal medesimo sollevato." (Cart. Volt.: I 1; O 12.)

Per questa caratteristica della schiacciata, che risulta dunque essere in grado di mantenere l'elettrizzazione per diverso tempo, venne aggiunto al nome elettroforo l'aggettivo perpetuum.
Volta, ben prima dell'invenzione della pila, divenne famoso in tutta Europa proprio per questa sua invenzione. Arrivò persino ad ideare un elettroforo "portatile", cioè in grado di essere smontato e rimontato facilmente, in modo da ridurne le dimensioni ed essere spostato comodamente.
Un'altra bella descrizione e spiegazione dell'elettroforo, per riassumere quanto detto, può essere trovata qui.




L'elettroforo, per quanto detto, può essere dunque visto come una particolare macchina elettrostatica, funzionante in maniera diversa da quelle precedenti, pur continuando a sfruttare lo stesso fenomeno (induzione elettrostatica). Data la sua semplicità e il suo effetto, ha il merito di attirare l'attenzione degli studenti, con un evidente vantaggio ai fini didattici. Come nel caso dello strofinìo, può essere utile che gli studenti non si limitino a fare quello che viene loro detto, ma possano essere liberi di "conoscerlo":


Nuovamente, si possono creare mappe concettuali per riassumere e focalizzare l'attenzione su quanto osservato.

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