La carica elettrica è tutto intorno a te, ma la noti davvero solo in rare occasioni, come quando i tuoi capelli sono dritti dopo esserti tolto un cappello o quando si ottiene uno zapping acuto quando si allunga la mano per toccare qualcosa dopo aver strofinato i piedi lungo il tappeto.

Questi due fenomeni sono esempi di elettricità statica, qualcosa di cui probabilmente hai imparato da bambino. Ma in che modo la carica statica ti fa rizzare i capelli e perché può darti uno shock statico?

Cosa sta succedendo a livello atomico che produce queste esperienze universali? L'apprendimento dei dettagli sull'elettricità statica offre una visione molto più dettagliata di questa affascinante proprietà della materia.
Le basi della carica elettrica

La carica elettrica è una proprietà fondamentale della materia. È separato in cariche positive e cariche negative e sebbene alcune particelle siano elettricamente neutre - come il neutrone - in realtà sono composte da particelle ancora più fondamentali che portano una carica elettrica.

Le due particelle cariche più importanti da conoscere quando apprendi dell'elettricità statica sono due dei componenti principali di un atomo: protoni ed elettroni.

I protoni sono caricati positivamente, con una carica di + e
, mentre gli elettroni sono caricati negativamente su - e
, dove e
\u003d 1.602 × 10 ^{- 19 C. La C qui sta per coulomb, che è l'unità SI per la carica elettrica. Il 10 - 19 ti dice che le particelle cariche hanno valori di carica
molto piccoli rispetto a un coulomb - due cariche di appena 1 C separate da un metro genererebbero una forza maggiore della spinta di la spinta del lancio del razzo di Saturno V!}

La regola fondamentale per come funziona la carica elettrica è che le cariche opposte si attraggono e simili cariche si respingono. Quindi se portassi un elettrone vicino a un altro elettrone, si allontanerebbero, mentre se portassi un elettrone vicino a un protone, ne verrebbe attratto.
Definizione di elettricità statica

Al massimo livello, l'elettricità statica si riferisce semplicemente alle cariche che non si muovono. Tuttavia, c'è molto di più! La cosa chiave dell'elettricità statica è che si verifica quando c'è uno squilibrio di carica, e questo squilibrio crea essenzialmente un potenziale elettrico, il che significa che esiste il potenziale per la corrente elettrica di fluire (per riequilibrare la carica) a causa delle posizioni della carica- particelle trasportanti.

Negli atomi, e per estensione nella maggior parte degli oggetti di uso quotidiano, c'è un equilibrio tra le cariche positive e negative (cioè tra i protoni e gli elettroni), quindi sono elettricamente neutri se considerati tutti insieme.

Quindi se avessi avvicinato un atomo a un altro, non ci sarebbe alcuna forza elettrica tra loro perché tutte le cariche positive sono bilanciate da cariche negative, quindi non vi è alcuna carica netta per generare una forza.

Sebbene sia davvero un po 'più complicato di così (perché gli elettroni si muovono sempre, quindi non sempre bloccano la carica positiva dai protoni), questa situazione neutra crea un chiaro contrasto con ciò che accade quandoc'è un accumulo di carica statica.

In sostanza, quando un oggetto (come i tuoi capelli dopo averlo sfregato un palloncino su di esso) ottiene un eccesso o un deficit di carica (quindi più o meno elettroni rispetto al suo stato normale ), quindi non è più neutro e può generare ciò che chiamate elettricità statica. Al contrario, l'elettricità ordinaria è un movimento continuo di carica (sotto forma di elettroni in una corrente elettrica), mentre l'elettricità statica non comporta il movimento fino a quando le cariche non si riequilibrano reciprocamente - e possibilmente darti un forte zap nel processo!
Come funziona l'elettricità statica

L'elettricità statica dipende fondamentalmente da uno squilibrio tra cariche positive e cariche negative, ma in realtà sono solo gli elettroni che si muovono effettivamente per creare questo squilibrio.

In un atomo, i protoni sono strettamente legati nel nucleo (insieme ai neutroni) ed entrambi sono considerevolmente più pesanti degli elettroni carichi negativamente che rimangono in una "nuvola" attorno l'esterno del nucleo.

Poiché queste particelle più leggere si trovano all'esterno, quando un oggetto entra in contatto con un altro sono gli elettroni che possono trasferirsi tra di loro e strofinarli insieme aumenta la velocità di accumulo di carica. Quindi, se un oggetto raccoglie elettroni extra, si carica negativamente, mentre se perde elettroni si carica positivamente.

I materiali isolanti trattengono bene una carica statica, mentre un buon conduttore manterrà solo una carica statica in alcuni situazioni. Un conduttore con elettroni extra non mantiene una carica statica perché gli elettroni possono fluire liberamente attraverso il materiale (che è la definizione di un buon conduttore).

Quindi, qualsiasi accumulo di carica si dissipa troppo rapidamente per creare elettricità statica evidente e può trasferirsi in altri oggetti a meno che non sia completamente isolato dal resto dell'ambiente. Poiché la corrente non può fluire in un isolante, l'accumulo di elettricità statica crea rapidamente un notevole squilibrio di carica e quindi genera elettricità statica.

Perché le cariche simili si respingono e le cariche opposte si attraggono, quando qualcosa ha una carica statica si attaccherà a oggetti caricati in modo opposto e talvolta può anche polarizzare gli atomi in un oggetto altrimenti neutro e attaccarsi anche a esso - il modo in cui un palloncino si attacca a un muro dopo averlo strofinato sulla testa.

Se la carica l'accumulo è abbastanza grande e si ottiene una tensione relativamente alta tra le due superfici o oggetti, la carica può saltare da un oggetto all'altro. Questo è il motivo per cui puoi ottenere uno zapping dallo shock statico se strofini i piedi sul pavimento e poi tocchi una maniglia.
Esempi di elettricità statica

Ci sono molti esempi di elettricità statica che incontrarsi nella vita di tutti i giorni, anche se non si pensa necessariamente al ruolo che la carica statica svolge nel loro funzionamento.

Un esempio particolarmente comune è l'adesione statica nei vestiti, specialmente dopo aver usato l'asciugatrice, che mantiene l'ideale condizioni per lo sviluppo dell'elettricità statica, e comporta anche lo sfregamento dei vestiti l'uno contro l'altro e potenzialmente la raccolta di elettroni extra sulla strada. Lo shock statico provocato dagli indumenti caricati in questo modo tende ad essere piuttosto piccolo, ma sicuramente lo noterai ancora quando ne avrai uno!

Le fotocopiatrici sono un ottimo esempio di come l'elettricità statica può essere utilizzata. La luce intensa che scansiona il documento crea una "ombra" elettrica dell'immagine su una cinghia fotoconduttiva (cioè sensibile alla luce) e, quando la cinghia ruota, raccoglie particelle di toner cariche negativamente a causa della carica statica.

Al di sotto di questo, un'altra cinghia avvolge un foglio di carta, dandogli una forte carica statica positiva nel processo. Quando le cariche negative del toner incontrano le cariche positive sulla carta, il toner si imprime sul pezzo di carta, nello stesso schema dell'ombra raccolta dalla cinghia fotoconduttiva.

Un altro esempio dovrebbe prenderti ritorno a una lezione di fisica a scuola: il generatore di Van de Graaff e la classica dimostrazione in cui qualcuno che tocca la sfera ha i capelli dritti. Il generatore funziona in base al movimento di cariche elettriche statiche, con una cinghia mobile che corre lungo la lunghezza del dispositivo e due "pettini" metallici per controllare la carica statica.

Un pettine caricato positivamente nella parte inferiore ( collegato a una fonte di energia elettrica) attira elettroni dalla cintura, lasciandola con una carica netta positiva, e questa carica viene raccolta da un pettine nella parte superiore, che la diffonde nella grande cupola nella parte superiore. Se tocchi la cupola durante il processo di ricarica, le singole ciocche di capelli raccolgono le cariche corrispondenti e si respingono a vicenda, facendole stare in piedi!
Esperimento di aquiloni di Benjamin Franklin

I fulmini sono una dimostrazione molto drammatica del potere dell'elettricità statica, e Benjamin Franklin lo ha dimostrato in una delle dimostrazioni scientifiche più note di tutti i tempi legando una chiave a una corda di aquilone bagnata durante un temporale.

Mentre è un mito che il l'aquilone è stato effettivamente colpito da un fulmine (questo avrebbe probabilmente ucciso Franklin), il campo elettrico della tempesta è stato raccolto dalla corda, che - proprio come la classica dimostrazione del generatore di Van de Graaff - ha fatto rimanere in piedi i fili del filo fine. Alla fine, Franklin toccò la chiave e avvertì lo schiocco di uno shock statico, dimostrando chiaramente il legame tra elettricità e fulmini.

Ovviamente, gli scienziati hanno riempito molti più dettagli sul processo dai tempi di Benjamin Franklin. Proprio come i vestiti che si sfregano l'uno sull'altro nell'asciugatrice o un palloncino che si sfrega sui capelli, la carica statica che crea il fulmine proviene dall'attrito e dai cristalli di ghiaccio nell'aria fredda che incontrano le goccioline d'acqua da una massa d'aria calda.

La carica si accumula in diversi punti del cloud e, quando esiste una differenza sufficientemente elevata nel potenziale elettrico tra questi luoghi (ovvero una tensione sufficientemente elevata), viene rilasciata sotto forma di un fulmine. Questo di solito si verifica all'interno di nuvole o tra due nuvole, ma a volte il bullone colpisce il terreno.
La serie Triboelectric

L'accumulo di carica statica causata da attrito e sfregamento è tecnicamente chiamato effetto triboelettrico, e in base a questo articolo conosci già i dettagli di ciò che provoca questo e come funziona. Gli oggetti che entrano in contatto l'uno con l'altro portano uno di loro a raccogliere elettroni extra (tutti portatori di cariche negative) e l'altro a sviluppare un deficit di elettroni e quindi una carica netta positiva.

Tuttavia, il grado in cui diverso i materiali raccolgono una carica negativa o perdono elettroni e ottengono una carica positiva che varia in base alle caratteristiche del materiale. Mentre gli isolanti sono generalmente più bravi a raccogliere cariche statiche, isolatori diversi lo raccolgono a velocità diverse.

Ad esempio, la maggior parte dei tipi di gomma, e in particolare il Teflon, raccolgono elettroni molto facilmente e come tali sono ideali per dimostrazioni e pezzi di tecnologia dipendenti dall'elettricità statica. I materiali differiscono in base alla loro "elettronegatività", il che significa sostanzialmente la loro affinità elettronica, o la loro tendenza a raccoglierli da altri oggetti.

La serie triboelettrica mette in ordine materiali diversi in base alla loro capacità di captare un positivo o una carica statica negativa. Gli oggetti posizionati verso l'alto della serie triboelettrica sono inclini a raccogliere una carica positiva, mentre quelli nella parte inferiore hanno maggiori probabilità di acquisire elettroni e di conseguenza caricare una carica negativa. Maggiore è la separazione tra due elementi della serie triboelettrica, maggiore è il fatto che sfregarli insieme creerà una carica statica in entrambi.
I pericoli dell'elettricità statica

Mentre la maggior parte delle dimostrazioni di elettricità statica sono esposizioni divertenti o piccole curiosità che si incontrano nella vita di tutti i giorni, è importante ricordare che una carica statica indesiderata può avere conseguenze gravi.

Ad esempio, una singola scintilla dell'elettricità statica può innescare liquidi infiammabili o gas e potenzialmente provocare un'esplosione. L'accumulo di elettricità statica dovuto allo scivolamento sul sedile della tua auto potrebbe anche potenzialmente causare un problema quando si tratta di riempire il gas, quindi dovresti sempre toccare la parte metallica dell'auto prima di fare il pieno.

Ovviamente, la maggior parte delle volte l'elettricità statica è davvero solo un fenomeno interessante, ma capire come funziona può aiutarti a evitare la catastrofe in alcune situazioni.