L’elettrostatica è un fenomeno quotidiano che si manifesta, ad esempio, quando tocchiamo una maniglia metallica e avvertiamo una scossa. Questo fenomeno riguarda il comportamento delle cariche elettriche in stato di riposo ed è importante da comprendere per evitare inconvenienti e rischi, come danni agli apparecchi elettronici o incidenti in ambienti industriali. In questa guida, esploreremo cos'è l'elettrostatica, come si forma, i suoi rischi e come gestirla in modo sicuro.
L'elettrostatica
L'elettrostatica si riferisce all'elettricità statica, ovvero quella che non è in movimento. Questo termine indica la parte della fisica che studia i fenomeni legati all'elettricità statica, ossia tutti quei fenomeni che si manifestano a causa della presenza di cariche elettriche, ma non di correnti elettriche.
Il primo fenomeno elettrico fu osservato dal filosofo Talete di Mileto, che scoprì che strofinando un pezzo di ambra con della lana, quest'ultima riusciva ad attrarre piccoli corpi leggeri, come pezzetti di legno o fili di tessuto. Il termine "elettricità" deriva dal greco "electron", che significa ambra, proprio in riferimento a questa scoperta.
Per osservare un fenomeno elettrostatico basta avere una penna di plastica e piccoli pezzetti di carta. Strofinando energicamente la penna con un panno di lana e poi avvicinando lentamente la penna ai pezzetti di carta, si noterà che questi verranno attratti dalla penna, restando a contatto con essa per un certo tempo. Questo accade perché la penna, strofinata con la lana, ha acquisito una carica elettrica, cioè una certa quantità di elettricità.
Dopo Talete, William Gilbert scoprì che, oltre all'ambra, anche altri materiali, come il vetro, lo zolfo e la resina, possono essere elettrizzati. Da qui nacque l'idea di distinguere i corpi in due categorie: quelli che possono essere elettrizzati e quelli che non hanno tale capacità. Tuttavia, con il tempo, questa distinzione si rivelò errata. Infatti, l'inglese Stephen Gray scoprì che tutti i corpi possono essere elettrizzati tramite strofinio. Inoltre, stabilì che in alcuni materiali, come l'ambra, lo zolfo e il vetro, l'elettricità si manifesta solo sulla parte strofinata, che è l'unica in grado di attrarre corpi leggeri.
Al contrario, i metalli si comportano in modo diverso. Stephen Gray notò che, strofinando una parte limitata di un corpo metallico, l'elettricità si manifestava su tutto il corpo, poiché ogni sua parte era in grado di attrarre corpi leggeri. Per questo motivo, questi materiali vennero definiti "buoni conduttori di elettricità" (conduttori), mentre i corpi in cui l'elettricità rimaneva confinata solo nella parte strofinata vennero chiamati "cattivi conduttori di elettricità" (isolanti). I conduttori permettono il passaggio dell'elettricità tra corpi, mentre gli isolanti impediscono tale trasferimento.
Per esempio, se abbiamo due corpi metallici, A e B, delle stesse dimensioni, e il corpo A è carico di elettricità, possiamo unire i due corpi tramite un buon conduttore, come un filo di rame, per qualche secondo. Dopo aver rimosso il filo, il corpo B risulterà anch'esso carico di elettricità. Questo accade perché il filo di rame, essendo un buon conduttore, ha permesso il trasferimento di parte dell'elettricità dal corpo A al corpo B, che a sua volta ha acquisito una quantità di elettricità pari a quella che ha perso il corpo A.
Se il corpo B è più grande del corpo A, una maggiore quantità di elettricità passerà su di esso, mentre se il corpo B è molto più grande, quasi tutta l'elettricità presente sul corpo A verrà trasferita sul corpo B.
Strofinando una barretta, si noterà che l'elettricità si manifesta principalmente sulle estremità, mentre la parte centrale rimane non elettrizzata. Inoltre, le due estremità presenteranno cariche elettriche di segno opposto.
Se, ad esempio, strofiniamo due bacchette di plastica leggere e ne leghiamo una a un filo, avvicinando l'altra bacchetta noteremo che quella appesa al filo si allontana. Questo fenomeno è causato dalla presenza di due tipi di cariche elettriche: positiva (+) e negativa (-). Un corpo non elettrizzato possiede quantità uguali di cariche positive e negative. Quando un corpo viene elettrizzato tramite strofinio, acquisisce una carica positiva o negativa, a seconda che venga eliminata o depositata una certa quantità di elettricità negativa.
Nel primo caso, il corpo risulterà carico positivamente, mentre nel secondo caso sarà carico negativamente. Quando un corpo carico positivamente viene avvicinato a un corpo non elettrizzato o carico negativamente, i due corpi si attraggono. Se, invece, entrambi i corpi sono carichi positivamente o negativamente, si respingono. Da questa osservazione, si deduce che cariche elettriche di segno opposto si attraggono, mentre cariche dello stesso segno si respingono.
Il rischio dell'elettricità statica
L'elettricità statica può rappresentare un rischio in vari contesti, soprattutto in ambienti dove vengono trattati materiali sensibili o apparecchiature elettroniche delicate. Un accumulo di cariche elettrostatiche può causare danni permanenti ai componenti elettronici, innescare esplosioni o incendi in ambienti industriali e, se non correttamente gestito, può anche causare danni agli esseri umani. I dispositivi elettronici, come computer, smartphone e altri strumenti tecnologici, sono particolarmente vulnerabili a scariche elettrostatiche (ESD), che possono distruggere microchip e circuiti integrati.
Come eliminare l'elettricità elettrostatica
Eliminare l’elettricità statica è fondamentale per prevenire danni alle apparecchiature elettroniche e per garantire la sicurezza in ambienti sensibili. Le soluzioni più comuni per neutralizzare l'elettrostatica includono l'uso di tappeti e indumenti antistatici, che aiutano a dissipare le cariche accumulate. Inoltre, l'installazione di sistemi di messa a terra negli ambienti di lavoro contribuisce a garantire che le cariche elettrostatiche vengano scaricate in modo sicuro. L'uso di umidificatori può anche essere utile, in quanto l’umidità aiuta a ridurre l'accumulo di cariche statiche.
Il problema generale dell'elettrostatica
Il principale problema legato all'elettrostatica riguarda l’accumulo eccessivo di cariche, che può portare a scariche improvvise, causando danni a persone e apparecchiature. In ambienti ad alta sensibilità, come in quelli industriali o nella produzione di dispositivi elettronici, un singolo scoppio elettrostatico può compromettere il funzionamento di sistemi complessi, come ad esempio i circuiti integrati. Inoltre, l’elettrostatica può causare fastidiosi effetti collaterali, come la scossa che sentiamo quando tocchiamo una maniglia o una persona.
La forza elettrostatica
La forza elettrostatica è la forza che agisce tra due cariche elettriche. La legge di Coulomb descrive questa forza e afferma che essa è direttamente proporzionale al prodotto delle cariche e inversamente proporzionale al quadrato della distanza che le separa. La formula che descrive questa forza è:
Dove:
- F è la forza elettrostatica tra le due cariche (misurata in Newton, N).
- k è la costante di Coulomb, che ha un valore di circa
8,99 x 109 N • m2/C2
(Newton per metro quadrato per coulomb al quadrato). Questa costante dipende dal mezzo in cui si trovano le cariche, ma nel vuoto è appunto questo valore. - q1 e q2 sono le cariche elettriche delle due particelle (misurate in Coulomb, C). La carica elettrica rappresenta la quantità di elettricità che possiede un corpo.
- r è la distanza tra le due cariche (misurata in metri, m).
La differenza tra campo elettrico e campo elettrostatico
Il campo elettrico è il campo di forze che circonda una carica elettrica, ed è presente anche in movimento, come nel caso di correnti elettriche. Il campo elettrostatico, invece, è un tipo di campo elettrico che si forma in assenza di movimento delle cariche. In altre parole, un campo elettrostatico è il campo generato da una carica ferma o immobile. La differenza principale sta nella dinamica del movimento delle cariche e nella loro interazione con gli altri corpi.
Cosa succede quando si elettrizza un corpo
Quando un corpo viene elettrizzato, si verifica un trasferimento di cariche elettriche tra il corpo e un altro oggetto, che può essere positivo o negativo. Se il corpo guadagna cariche negative (elettrizzazione negativa), avrà un eccesso di elettroni, mentre se perde cariche negative (elettrizzazione positiva), avrà un deficit di elettroni. In entrambi i casi, il corpo acquisisce una carica elettrica che può essere utilizzata per generare effetti come la repulsione o l'attrazione verso altri corpi carichi.
Perché qualsiasi cosa che tocco prendo la corrente
Il fenomeno che fa sembrare che "prendi la corrente" quando tocchi certi oggetti è in realtà il risultato di una scarica elettrostatica. Questo accade quando tocchi un oggetto che ha una carica differente dalla tua, e l'equilibrio elettrico viene ripristinato rapidamente attraverso una scarica di elettroni. L'effetto è simile a quello che si sperimenta quando si tocca una maniglia metallica dopo aver camminato su un tappeto sintetico: il tuo corpo si carica e, al contatto, avviene una scarica di elettricità statica.
L'elettricità statica è pericolosa?
L’elettricità statica di per sé non è particolarmente pericolosa per l'essere umano, poiché la corrente è estremamente bassa e di breve durata. Tuttavia, nei contesti industriali o elettronici, una scarica elettrostatica può danneggiare circuiti sensibili o, in ambienti esplosivi, innescare reazioni pericolose. Pertanto, è fondamentale prendere precauzioni per limitare o eliminare la possibilità di accumulo di cariche statiche in tali ambienti.
Perché il corpo umano conduce elettricità
Il corpo umano è composto principalmente da acqua, che è un ottimo conduttore di elettricità. Inoltre, la presenza di sali minerali e ioni all'interno del corpo consente agli elettroni di muoversi facilmente, facilitando la conduzione elettrica. Sebbene il corpo umano non sia un conduttore perfetto, essendo un buon conduttore rispetto ad altri materiali, può trasmettere facilmente le scariche elettrostatiche.
Quando si annulla il potenziale elettrostatico
Il potenziale elettrostatico si annulla quando la carica accumulata si dissipa attraverso un processo di scarica, che può avvenire naturalmente tramite messa a terra o artificialmente tramite dispositivi come braccialetti antistatici. Quando la carica si distribuisce uniformemente e non vi è più un dislivello di potenziale tra i corpi, l'elettrostatica viene annullata.
Conclusione:
In conclusione, l'elettrostatica è un fenomeno che, pur essendo invisibile nella maggior parte dei casi, gioca un ruolo importante nelle nostre vite quotidiane. Conoscere come funziona e quali sono i rischi e le soluzioni a essa legati è fondamentale per vivere e lavorare in modo sicuro ed efficiente.
