Elettricità (+) e (-)

Questo articolo accompagna il video “Elettricità (+) e (–)”. Nel video si mostrano diversi esperimenti che si possono fare con un palloncino di gomma. Il palloncino è l’equivalente a basso costo del “tubo di vetro”, uno strumento molto usato nel ‘700 per gli esperimenti elettrici. In un precedente articolo della serie Spazzascienza abbiamo raccontato come Benjamin Franklin si appassionò all’elettricità quando un amico gli regalò di un tubo di vetro [LINK].

Il tubo di vetro regalato da Peter Collinson a Benjamin Franklin nel 1746 e oggi conservato al Franklin Institute. A destra, alcuni palloncini di gomma.

Attrazioni e Repulsioni

Le prime osservazioni sull’elettricità furono fatte dagli antichi greci. La parola stessa, elettricità, deriva dalla parola greca èlectron, ambra. Le bacchette d’ambra, questa resina fossile, erano infatti anch’esse equivalenti al nostro palloncino, o alle bacchette di ceralacca, e strofinate con la lana attiravano pezzettini di paglia, fili, oggetti leggeri.

Nella prima parte del video infatti si usa il palloncino per ripetere tutte queste scoperte. È  l’attrazione elettrica o elettrostatica: il palloncino sfregato con la lana è “carico”, è “elettrico”, si attira con le cose più diverse: pezzettini di carta, sagomine di carta, capelli, muro, filo d’acqua, bolle di sapone.

Naturalmente questi esperimenti si possono agevolmente riproporre in classe.

Oggi sappiamo che quando strofiniamo con la lana il palloncino, la lana si carica (+) e il palloncino si carica (–). Nella visione moderna tutta la materia è fatta di cariche (+) e cariche (–) mescolate insieme, in equilibrio perfetto. Durante lo sfregamento un certo numero di cariche (–) passa dalla lana al palloncino, lasciando nella lana un eccesso di cariche (+), e provocando sul palloncino un eccesso di cariche (–).

Nella scheda per la scuola primaria [LINK] si approfondisce questo tema, e ci si sofferma sulla questione didattica: se usarlo come punto di partenza per spiegare, se giungerci come punto di arrivo di esperimenti e racconti.

Nella seconda parte del video si presentano le repulsioni elettrostatiche. Questo effetto fu menzionato nel XVII sec dall’italiano Nicolò Cabeo, studioso di magnetismo. Tuttavia egli non approfondì la questione. Se ne occupò invece approfonditamente l’inglese Stephen Gray, che riusciva a caricare una piuma per contatto con il tubo carico. Una volta carica, la piuma veniva respinta dal tubo e Gray riusciva a guidarla muovendo il tubo, “spingendola” girando per la stanza. Questo esperimento (che Gray non riuscì a far pubblicare per l’ostilità di Newton nei suoi confronti) è raccontato nell’antologia [LINK]. Oggi possiamo ripeterlo non solo con le piume, ma anche con le bolle, con pezzi di plastica strofinati anch’essi, con i semi dei soffioni, con fili da cucito, con i palloncini tra di loro, e altro ancora.

Nella scheda per la scuola secondaria di 1° grado [LINK] si racconta di diverse applicazioni della tecnologia moderna in cui gocce o polvere carica vengono attirate o respinte, per stampare a getto d’inchiostro, fare fotocopie, filtrare le polveri sottili.

La carica (+) e la carica (–)

Nella terza parte del video si comincia a rendere conto di attrazioni e repulsioni con i concetti di carica (+) e carica (–). Il nastro adesivo è un materiale molto adatto per fare ciò, come viene illustrato nella già citata scheda per la scuola primaria. È stato l’oggetto di diversi studi di didattica della fisica per questo.

Come lana e plastica, sfregate, si caricano (+) e (–), così due pezzi di nastro adesivo incollati tra loro e staccati bruscamente si caricano (+) e (–).

Franklin, che introdusse la terminologia positivo e negativo, pensava all’eccesso e al difetto di fluido elettrico. Egli pensava che il fluido elettrico si attirasse con la materia normale e fosse con sé stesso auto-repulsivo. Poteva spiegare così le repulsioni eccesso-eccesso (come dire, palloncino e medusa di plastica). Poteva spiegare le attrazioni eccesso-difetto (come tra i due pezzi di nastro adesivo) e l’attrazione con la materia neutra. Quando si scoprì la repulsione, per così dire, difetto-difetto, non la si riusciva a spiegare e ciò fu un problema per la teoria di Franklin. Per questo le venivano preferite le teorie elettriche “a due fluidi” (detti vetroso e resinoso).

La cannuccia di Gray

Nella quarta parte del video introduciamo i conduttori. La scoperta dei conduttori si deve a Stephen Gray, che dopo l’ostracismo subito per colpa di Newton, riprese in tarda età gli esperimenti sull’elettricità, e i suoi sforzi furono coronati da questa scoperta epocale.

Uno dei brani in cui descrive l’esperimento è proposto nell’antologia [LINK]. Sospendendo un filo a dei fili di seta, riusciva a trasmettere l’elettricità da una estremità del filo a una sfera d’avorio appesa all’altra estremità. Gli effetti dell’elettricità venivano trasportati per lunghezze di circa duecento metri.

L’esperimento di Gray da un’illustrazione d’epoca.

 

Nel video usiamo un conduttore di due metri (una corsia metallica per le tende). Ma è possibile costruire un equivalente con materiali semplici, anche più lungo, arrotolando dell’alluminio da cucina in un lungo cilindro a forma di cannuccia, per esempio.

Con questa cannuccia si possono ripetere gli esperimenti di Gray, per esempio avvicinando il palloncino carico a un’estremità della cannuccia facendo in modo di attirare pezzettini di carta o di mylar all’altra estremità.

Oppure, appendendo due sottili nastri di mylar a una estremità della cannuccia, si può usare la cannuccia come “elettroscopio gigante” e fare gli esperimenti classici dell’elettroscopio, descritti nella scheda esperimenti [LINK]:

  1. se avviciniamo il palloncino carico all’altra estremità del tubo, i due nastri di mylar si respingono e si allontanano. Quando allontaniamo il palloncino, i nastri tornano ad avvicinarsi. E via così: avvicino, si allargano, allontano, tornano vicini, eccetera.
  2. se tocchiamo con il palloncino la cannuccia di Gray, anche più volte, e poi allontaniamo il palloncino, nastri all’estremità della cannuccia rimangono lontani (sono carichi meno). Quando tocchiamo la cannuccia col dito, i nastri si riavvicinano.
  3. tocchiamo con un dito la cannuccia di Gray, tenendocelo, e poi tocchiamo la cannuccia con il palloncino, appoggiandolo lungo una parte della cannuccia (I nastri rimangono abbassati): ora stacchiamo il dito (i nastri rimangono abbassati): e poi stacchiamo il palloncino (e ora i nastri si allontanano, sono carichi, ma carichi più)…

Questi esperimenti danno una bella illustrazione della natura auto-repulsiva del fluido elettrico. Quando sulla cannuccia i nastri in mylar si respingono, essa è carica. Se qualcuno la tocca, i nastri si avvicinano, la carica è andata via dai nastri che non si respingono più, e si è distribuita anche nel qualcuno che l’ha toccata. L’elettricità è un fluido auto-repulsivo, come diceva Franklin, e si distribuisce rapidamente nello spazio a disposizione. E i metalli sono uno dei luoghi in cui riesce a muoversi e distribuirsi molto agevolmente. L’elettricità è una specie di gas che si diffonde nei metalli!

Un approfondimento su questi temi nella scheda didattica per la scuola secondaria di 2° grado [LINK].

Il Mylar

Nella quinta e ultima parte del video si presenta il Mylar, un ottimo materiale per esperimenti elettrostatici, sostituisce egregiamente la foglia d’oro e la foglia d’ottone usata da Gray. Si tratta di una pellicola di plastica su cui è depositato uno strato di alluminio.

Il Mylar si può caricare per contatto col palloncino carico (si carica meno). Per via del “fluido elettrico autorepulsivo”, l’oggetto in Mylar sembra gonfiarsi. Si può caricare anche tramite la “cannuccia di Gray” (sia più che meno). E si può caricare infine con la bacchetta elettromagica (si carica più).

Una volta carico, il Mylar si può far levitare per aria, col palloncino come con la bacchetta. Quando siamo diventati bravi a guidare per aria questi oggetti, possiamo (in due persone) spingere un Mylar carico  (+) verso un Mylar carico (–) è vedere come le due cariche si “annullano” o “neutralizzano” o “riequilibrano”.

Un fluido o due fluidi? Quest’ultimo esperimento suggerisce fortemente come non ci siano due fluidi elettrici diversi, ma che sono legati in qualche modo, sono uno l’opposto dell’altro, e da un certo punto di vista formano un solo fluido elettrico, positivo e negativo. Come molte altre querelle nella storia della scienza, avevano ragione tutti e due.

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