L’induzione elettrostatica e la polarizzazione

Consideriamo una bacchetta di plastica, una sfera di metallo e un filo isolante che sostiene la sfera di metallo. Se strofiniamo la bacchetta di plastica con un panno e la avviciniamo alla sfera di plastica vedremo che sfera e bacchetta si attraggono. Questa attrazione avviene anche se la sfera di metallo è scarica elettricamente.

Com’è possibile che un corpo carico ne attragga uno scarico?

La risposta è nella legge di Coulomb. La bacchetta di plastica ha una carica elettrica negativa, quando si avvicina alla sfera ne respinge gli elettroni, che sono liberi di muoversi all’interno del metallo, e si spostano dalla parte opposta della sfera. Così la parte della sfera più vicina alla bacchetta rimane carica positivamente, mentre la superficie più lontana diventa negativa. Per la legge di Coulomb, però, l’attrazione tra cariche vicine è maggiore di quella tra cariche lontane. Ecco perché la sfera è attratta dalla bacchetta.

Questo in realtà non è un fenomeno di elettrizzazione vero e proprio, perché nel complesso la sfera di metallo rimane elettricamente neutra com’era all’inizio. La bacchetta infatti non trasferisce una carica sulla sfera ma spinge, cioè induce, le sue cariche interne a redistribuirsi in maniera tale che alcune parti della sfera risultino localmente elettrizzate.

Questo fenomeno si chiama induzione elettrostatica.

Non è un fenomeno irreversibile. Per tornare nelle condizioni iniziali, infatti, basta allontanare la bacchetta. Subito allora le cariche positive e negative presenti sulla sfera tornano a mescolarsi. L’induzione elettrostatica si verifica grazie alla libertà di movimento degli elettroni all’interno di un materiale conduttore.

Però anche un materiale isolante, come la carta, può essere attirato da un corpo carico. Una penna di plastica elettrizzata per strofinio, per esempio, riesce ad attrarre piccoli pezzetti di carta.

In questo caso avviene il fenomeno chiamato polarizzazione. Gli elettroni della carta che sono più vicini alla penna sentono una forza che li respinge e anche se sono poco liberi di muoversi nelle molecole, una piccola ridistribuzione di carica si crea ugualmente. Il risultato è che nel complesso le cariche di segno opposto sono più vicine tra loro, mentre quelle dello stesso segno sono più distanti. Ecco perché i pezzettini di carta sono attratti dalla penna.

Il fenomeno della polarizzazione spiega come mai l’intensità della forza di Coulomb si riduce quando le cariche sono poste in un materiale isolante. Una carica positiva attrae verso di se gli elettroni delle molecole che la circondano, perciò risulta schermata dallo strato di cariche negative e interagisce con altre cariche più debolmente di quanto farebbe nel vuoto. Il valore della costante dielettrica di un materiale è dunque una misura di quanto quel materiale si polarizza in presenza di cariche elettriche.

Nel seguente filmato potete vedere una animazione di quanto detto nel testo precedente. Buona visione a tutti.