L’elettricità statica è una parte onnipresente della vita quotidiana. È tutto intorno a noi, a volte divertente e ovvio, come quando ti fa rizzare i capelli, a volte nascosto e utile, come quando viene sfruttato dall'elettronica del tuo cellulare. I mesi invernali secchi sono l'alta stagione per un fastidioso svantaggio dell'elettricità statica:scariche elettriche come piccoli fulmini ogni volta che tocchi le maniglie delle porte o le coperte calde appena uscite dall'asciugatrice.
L'elettricità statica è uno dei fenomeni scientifici più antichi osservati e descritti. Il filosofo greco Talete di Mileto fece il primo resoconto; nel VI secolo a.E.V. scritti, notò che se l’ambra veniva strofinata abbastanza forte, piccole particelle di polvere inizierebbero ad attaccarsi ad essa. Trecento anni dopo, Teofrasto seguì gli esperimenti di Talete sfregando vari tipi di pietra e osservò anche il "potere di attrazione". Ma nessuno di questi filosofi naturali trovò una spiegazione soddisfacente per ciò che videro.
Ci vollero quasi altri 2.000 anni prima che venisse coniata la parola inglese "elettricità", basata sul latino "electricus", che significa "come l'ambra". Alcuni degli esperimenti più famosi furono condotti da Benjamin Franklin nel suo tentativo di comprendere il meccanismo alla base dell'elettricità, che è uno dei motivi per cui la sua faccia sorride dalla banconota da 100 dollari. Le persone hanno subito riconosciuto la potenziale utilità dell'elettricità.
Naturalmente, nel XVIII secolo, le persone utilizzavano principalmente l’elettricità statica nei trucchi di magia e in altri spettacoli. Ad esempio, l'esperimento del "ragazzo volante" di Stephen Gray divenne una popolare dimostrazione pubblica:Gray utilizzò una bottiglia di Leida per caricare il giovane, sospeso a corde di seta, e poi mostrò come poteva girare le pagine di un libro tramite l'elettricità statica o sollevare piccoli oggetti semplicemente utilizzando l'attrazione statica.
Basandosi sulle intuizioni di Franklin, inclusa la sua comprensione che la carica elettrica ha sapori positivi e negativi, e che la carica totale è sempre conservata, ora comprendiamo a livello atomico cosa causa l'attrazione elettrostatica, perché può causare mini fulmini e come sfruttare cosa può essere un fastidio per l'uso in varie tecnologie moderne.
Contenuto
L'elettricità statica si riduce alla forza interattiva tra le cariche elettriche. Su scala atomica, le cariche negative sono trasportate da minuscole particelle elementari chiamate elettroni. La maggior parte degli elettroni sono ordinatamente racchiusi nella massa della materia, che si tratti di una pietra dura e senza vita o del tessuto molle e vivente del tuo corpo. Tuttavia, molti elettroni si trovano anche sulla superficie di qualsiasi materiale. Ogni diverso materiale trattiene questi elettroni superficiali con la propria diversa forza caratteristica. Se due materiali si sfregano l'uno contro l'altro, gli elettroni possono essere strappati dal materiale "più debole" e ritrovarsi sul materiale con una forza legante più forte.
Questo trasferimento di elettroni – ciò che conosciamo come una scintilla di elettricità statica – avviene continuamente. Esempi famigerati sono i bambini che scivolano giù dallo scivolo di un parco giochi, i piedi che strascicano i piedi su un tappeto o qualcuno che si toglie i guanti di lana per stringersi la mano.
Ma notiamo il suo effetto più frequentemente nei mesi secchi dell’inverno, quando l’aria ha un’umidità molto bassa. L'aria secca è un isolante elettrico, mentre l'aria umida funge da conduttore. Ecco cosa succede:nell'aria secca gli elettroni rimangono intrappolati sulla superficie con la forza legante più forte. A differenza di quando l'aria è umida, non riescono a trovare la strada per ritornare alla superficie da cui provengono, e non riescono a rendere nuovamente uniforme la distribuzione delle cariche.
Una scintilla elettrica statica si verifica quando un oggetto con un surplus di elettroni negativi si avvicina a un altro oggetto con una carica meno negativa e il surplus di elettroni è abbastanza grande da far "saltare" gli elettroni. Gli elettroni fluiscono dal punto in cui si sono accumulati, come su di te dopo aver camminato su un tappeto di lana, alla cosa successiva con cui entri in contatto che non abbia un eccesso di elettroni, come la maniglia di una porta.
Quando gli elettroni non hanno nessun posto dove andare, la carica si accumula sulle superfici, finché non raggiunge un massimo critico e si scarica sotto forma di un minuscolo fulmine. Dai agli elettroni un posto dove andare, ad esempio il tuo dito teso, e sentirai sicuramente la scossa.
Sebbene a volte fastidiosa, la quantità di carica nell'elettricità statica è in genere piuttosto piccola e piuttosto innocua. La tensione può essere circa 100 volte superiore a quella delle normali prese di corrente. Tuttavia, queste enormi tensioni non sono nulla di cui preoccuparsi, poiché la tensione è solo una misura della differenza di carica tra gli oggetti. La quantità "pericolosa" è la corrente, che indica quanti elettroni circolano. Poiché in genere solo pochi elettroni vengono trasmessi in una scarica elettrica statica, questi scariche sono piuttosto innocue.
Tuttavia, queste piccole scintille possono essere fatali per i dispositivi elettronici sensibili, come ad esempio i componenti hardware di un computer. Piccole correnti trasportate da pochi elettroni possono essere sufficienti per friggerli accidentalmente. Ecco perché i lavoratori delle industrie elettroniche devono rimanere con i piedi per terra, che è essenzialmente una connessione cablata in modo che gli elettroni sembrino un'autostrada vuota "casa". Anche mettere a terra è facile, toccando un componente metallico o tenendo una chiave in mano. I metalli sono ottimi conduttori e quindi gli elettroni sono abbastanza felici di andare lì.
Una minaccia più grave è una scarica elettrica in prossimità di gas infiammabili. Per questo motivo è consigliabile collegarsi a terra prima di toccare le pompe delle stazioni di servizio; non vuoi che una scintilla vagante bruci i vapori di benzina vaganti. Oppure si può investire nel tipo di braccialetto antistatico ampiamente utilizzato dai lavoratori delle industrie elettroniche per mettere a terra in sicurezza le persone prima che lavorino su componenti elettronici molto sensibili. Prevengono l'accumulo di elettricità statica grazie a un nastro conduttivo che si avvolge attorno al polso.
Nella vita di tutti i giorni, il metodo migliore per ridurre l’accumulo di carica è utilizzare un umidificatore per aumentare la quantità di umidità nell’aria. Anche mantenere la pelle umida applicando una crema idratante può fare una grande differenza. I fogli per asciugatrice impediscono l'accumulo di cariche durante l'asciugatura dei vestiti distribuendo una piccola quantità di ammorbidente sul panno. Queste particelle positive bilanciano gli elettroni sciolti e la carica effettiva si annulla, il che significa che i tuoi vestiti non usciranno dall'asciugatrice attaccati l'uno all'altro. Puoi strofinare l'ammorbidente anche sui tappeti per evitare l'accumulo di carica. Infine, è meglio indossare abiti di cotone e scarpe con la suola di cuoio rispetto a vestiti di lana e scarpe con la suola di gomma.
Nonostante i fastidi e i possibili pericoli dell'elettricità statica, ha sicuramente i suoi vantaggi.
Molte applicazioni quotidiane della tecnologia moderna si basano in modo cruciale sull’elettricità statica. Ad esempio, le fotocopiatrici utilizzano l'attrazione elettrica per "incollare" particelle di tono cariche sulla carta. I deodoranti per ambienti non solo donano alla stanza un buon profumo, ma eliminano anche i cattivi odori scaricando l'elettricità statica sulle particelle di polvere, dissimulando così il cattivo odore.
Allo stesso modo, le ciminiere delle fabbriche moderne utilizzano piastre cariche per ridurre l’inquinamento. Quando le particelle di fumo risalgono il camino, raccolgono cariche negative da una griglia metallica. Una volta caricati, vengono attratti dalle piastre sugli altri lati della ciminiera che sono caricate positivamente. Infine, le particelle di fumo cariche vengono raccolte su un vassoio dalle piastre di raccolta che possono essere smaltite.
L'elettricità statica ha trovato la sua strada anche nella nanotecnologia, dove viene utilizzata, ad esempio, per catturare singoli atomi mediante raggi laser. Questi atomi possono quindi essere manipolati per tutti i tipi di scopi come in varie applicazioni informatiche. Un'altra interessante applicazione della nanotecnologia è il controllo dei nanopalloncini, che attraverso l'elettricità statica possono essere commutati dallo stato gonfiato a quello collassato. Queste macchine molecolari potrebbero un giorno fornire farmaci a tessuti specifici del corpo.
L'elettricità statica ha vissuto due millenni e mezzo dalla sua scoperta. Resta comunque una curiosità e un fastidio, ma è stato dimostrato che è importante anche per la nostra vita quotidiana.
Sebastian Deffner è assistente professore di fisica presso l'Università del Maryland, nella contea di Baltimora. Questo articolo è stato scritto in collaborazione con Muhammed Ibrahim, che sta conducendo una ricerca in collaborazione con Deffner sulla riduzione degli errori di calcolo nelle memorie quantistiche.
Questo articolo è stato ripubblicato da La conversazione sotto una licenza Creative Commons. Puoi trovare articolo originale qui .
