Lo scopo di questa esperienza di laboratorio è visualizzare, mediante le linee di forza, il campo elettrostatico generato da una carica puntiforme o da distribuzioni di cariche su superfici piane e parallele (condensatore piano).
Scheda sintetica delle attività
Visualizzazione delle linee di forza del campo elettrico radiale e del campo elettrico uniforme attraverso la distribuzione del semolino nell'olio contenuto in un recipiente.
Risorse necessarie
Generatore di Van de Graaf;
elettrodi di forma circolare e piana;
fili elettrici per la costruzione del circuito;
contenitore di vetro abbastanza largo;
olio di semi;
semolino.
Prerequisiti necessari
Conoscere le proprietà principali delle linee di forze del campo elettrico, e in particolare che:
sono linee orientate immaginarie utilizzate per visualizzare il campo elettrico;
danno la direzione della forza che agirebbe su una carica di prova posta nel campo;
le linee di forza escono dalle cariche positive ed entrano nelle cariche negative;
il vettore campo elettrico è tangente alla linea di forza in ogni suo punto;
due linee di uno stesso campo non si possono intersecare;
la densità delle linee di campo é proporzionale all'intensità del campo stesso: da questo segue che dove le linee di campo sono più dense, il campo è più intenso e dove sono più rarefatte il campo è più debole.
Obiettivi di apprendimento
Osservare le linee di forza del campo elettrico radiale e del campo uniforme;
individuazione le differenze tra i due campi elettrici;
saper riconoscere il fenomeno osservato;
saper individuare le proprietà del campo in un punto a partire dalla linea di campo passante per quel punto;
saper individuare le differenze qualitative tra il campo elettrico radiale e il campo elettrico uniforme;
saper riconoscere l'uniformità del campo elettrico generato dal condensatore piano.
Dotazioni di sicurezza
L'utilizzo del circuito elettrico rende necessaria la supervisione dell'insegnante.
Svolgimento
Introduzione
Prima di descrivere l'esperimento, visto che lo stesso deve dare una conferma di quanto studiato e visto rappresentato sui libri di testo, si richiama l'andamento delle linee di forza dei campi che poi andremo a visualizzare. La figura 1 mostra le linee di forza del campo elettrico radiale, cioè del campo elettrico generato da una carica puntiforme Q positiva o negativa:
Figura 1: linee di forza generata da una carica elettrica puntiforne
La densità delle linee di forza è maggiore vicino alla carica sorgente: questo significa che il campo elettrico è più intenso vicino alla carica. Una carica elettrica q in un punto del campo radiale sarà sottoposta ad una forza F di intensità proporzionale all’intensità del campo in quel punto. La forza su q sarà repulsiva se Q e q hanno lo stesso segno, attrattiva se Q e q hanno segno contrario.
Figura 2 mostra le linee di forza del campo elettrico uniforme, cioè del campo elettrico generato da un condensatore piano (coppia di piani paralleli caricati uniformemente con cariche di segno opposto):
Figura 2: linee di forza del campo elettrico uniforme
Una carica elettrica q in un campo elettrico uniforme sarà sottoposta ad una forza F, avente lo stesso modulo in ogni punto del campo, la forza avrà la stessa direzione del campo. Il verso è lo stesso verso del campo se la carica q è positiva, verso opposto se q è negativa.
Sperimentalmente, si può ottenere la configurazione delle linee di forza del campo elettrico utilizzando la disposizione del semolino nell'olio di semi. Riproduciamo, tramite questa esperienza, la situazione visualizzata dai disegni sopra riportati.
DESCRIZIONE DEL CIRCUITO ELETTRICO UTILIZZATO
Si collega uno dei due elettrodi alla sfera metallica ("testa" del generatore di Van de Graaf) e l'altro si utilizza per la messa a terra del circuito elettrico.
Figura 3: generatore di Van de Graaf e collegamenti elettrici
PRIMA FASE
In un recipiente trasparente abbastanza largo, in cui abbiamo versato l'olio di semi per un'altezza di circa mezzo centimetro, spargiamo il semolino e, aiutandoci con una bacchetta, distribuiamolo uniformemente. Collocando il recipiente sul piano della lavagna luminosa è possibile proiettare l’immagine su uno schermo e rendere più visibile la "geometria" delle linee di forza prodotte dalla distribuzione del semolino nell'olio.
Appoggiamo al fondo del recipiente, l’elettrodo (carica generatrice del campo) ed effettuiamo i collegamenti con gli elettrodi del generatore (figura 4 immagine a sinistra)
Figura 4: osservazione delle linee di forza radiali generate da una carica puntiforme
Mettiamo in funzione la macchina elettrostatica (generatore di Van de Graaf) ed osserviamo con attenzione il distribuirsi del semolino secondo una particolare geometria che mette in evidenza le linee di forza del campo elettrico generato. Il campo elettrico generato da una carica puntiforme é visualizzato tramite linee di forza disposte a raggiera (figura 4, immagine a destra). Tale configurazione delle linee di forza evidenzia un campo radiale.
SECONDA FASE
Appoggiamo al fondo del recipiente le due piastre piane parallele tra loro (condensatore piano) ed effettuiamo i collegamenti con gli elettrodi del generatore.
Mettiamo in funzione la macchina elettrostatica ed osserviamo con attenzione la configurazione geometrica assunta dal semolino che mette in evidenza le linee di forza del campo elettrico generato.
Il campo elettrico tra due armature piane disposte parallelamente, escludendo le zone ai bordi, é visualizzato tramite linee di forza tutte parallele tra loro, perpendicolari alle armature ed equidistanti. Tale configurazione delle linee di forza evidenzia un campo uniforme.
Figura 5: linee di forza di un campo elettrico uniforme
E' possibile visualizzare anche l'andamento del campo generato da due cariche puntiformi dello stesso segno o di segno opposto collegando opportunamente i cavi elettrici al generatore ed ottenere la conferma sperimentale dei seguenti disegni:
Figura 6: linee di forza generate da due carica uguali a sinistra e opposte a destra
Figura 7 mostra l'andamento delle linee di forza di questi campi:
Figura 7: visualizzazione delle linee di forza di due cariche uguali
Quest'ultima configurazione delle linee di campo è stata creata da due cariche elettriche uguali e opposte poste ad una certa distanza (dipolo elettrico). Il campo creato da un dipolo è la combinazione di due campi radiali in cui le linee di campo si incurvano per incontrarsi. Il campo è particolarmente intenso nello spazio tra le due cariche.
Note e storia
L'idea delle linee di campo si deve a Michael Faraday (1791 - 1867) che le utilizzò per rappresentare il campo magnetico cioè la deformazione dello spazio fisico intorno ad un magnete.
Attraverso le linee di campo possiamo rappresentare qualsiasi campo vettoriale. In questa scheda sono state utilizzate le linee di forza per rappresentare il campo elettrico, cioè quella zona di spazio fisico modificata dalla presenza di cariche elettriche.
Il generatore di Van de Graaf è un generatore elettrostatico 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 inventato verso la fine del 1929 dal fisico statunitense Robert Van de Graaff (1901-1967), da cui prende il nome.
Per la sua relativa semplicità è comune nei laboratori di molte scuole.
Bibliografia
S. Fabbri, M. Masini, Phoenomena LS1-LS2 Laboratorio, SEI
Per i disegni è stato utilizzato il libro di testo in adozione: A. Caforio, A. Ferilli, Le regole del gioco! Vol.2 - Le Monnier Scuola
Wikipedia per la descrizione del generatore di Van de Graaf
