Elettroscopio: storia, come funziona, cosa serve
Un elettroscopio è un dispositivo utilizzato per rilevare l'esistenza di cariche elettriche su oggetti vicini. Indica anche il segno della carica elettrica; cioè, se è una carica negativa o positiva. Questo strumento è costituito da una barra metallica confinata all'interno di una bottiglia di vetro.
Questa canna ha due fogli di metallo molto sottili (oro o alluminio) collegati nella sua parte inferiore. A sua volta, questa struttura è sigillata con un coperchio di materiale isolante, e nella parte superiore ha una piccola sfera chiamata "collettore".
Quando si avvicina un oggetto elettricamente carico ad un elettroscopio, si possono osservare due tipi di reazioni dalle lamelle metalliche che si trovano all'estremità inferiore della configurazione: se le lamelle sono separate l'una dall'altra, significa che l'oggetto ha la stessa carica elettrica rispetto all'elettroscopio.
D'altra parte, se le lamelle si uniscono, è indicativo che l'oggetto abbia una carica elettrica opposta alla carica dell'elettroscopio. La chiave è caricare l'elettroscopio con una carica elettrica di segno noto; così, scartando sarà possibile dedurre il segno della carica elettrica dell'oggetto che ci avviciniamo al dispositivo.
Gli elettroscopi sono estremamente utili per determinare se un corpo è elettricamente carico, oltre a dare indicazioni sul segno del carico e sull'intensità di esso.
storia
L'elettroscopio fu inventato dal fisico e fisico inglese William Gilbert, che servì come fisico della monarchia inglese durante il regno della regina Elisabetta I.
Gilbert è anche conosciuto come "il padre dell'elettromagnetismo e dell'elettricità" grazie ai suoi grandi contributi alla scienza durante il diciassettesimo secolo. Costruì il primo elettroscopio conosciuto nell'anno 1600, con lo scopo di approfondire i suoi esperimenti sulle cariche elettrostatiche.
Il primo elettroscopio, chiamato versorium, era un dispositivo costituito da un ago metallico, che ruotava liberamente su un piedistallo.
La configurazione del versore era molto simile a quella di un ago della bussola, ma in questo caso l'ago non era magnetizzato. Le estremità dell'ago erano visivamente differenziate l'una dall'altra; Inoltre, un'estremità dell'ago aveva una carica positiva e l'altra aveva una carica negativa.
Il meccanismo d'azione del versore era basato sulle cariche indotte all'estremità dell'ago, mediante induzione elettrostatica. Quindi, a seconda dell'estremità dell'ago più vicino all'oggetto circostante, la reazione di tale estremità sarebbe quella di puntare o respingere l'oggetto con l'ago.
Se l'oggetto avesse una carica positiva, le cariche in movimento negative nel metallo sarebbero attratte dall'oggetto e l'estremità carica negativamente punterebbe verso il corpo che induce la reazione nel versore.
Altrimenti, se l'oggetto avesse una carica negativa, il polo attratto dall'oggetto sarebbe la parte positiva dell'ago.
evoluzione
A metà del 1782, l'eccezionale fisico italiano Alessandro Volta (1745-1827) costruì l'elettroscopio a condensazione, che aveva un'importante sensibilità nel rilevare le cariche elettriche che gli elettroscopi non avevano rilevato.
Tuttavia, il più grande progresso dell'elettroscopio proveniva dalla mano del matematico e astronomo tedesco Johann Gottlieb Friedrich von Bohnenberger (1765-1831), che inventò l'elettroscopio a foglio d'oro.
La configurazione di questo elettroscopio è molto simile alla struttura che è conosciuta oggi: il dispositivo era costituito da una campana di vetro che aveva una sfera metallica all'estremità superiore.
A sua volta, questa sfera era collegata attraverso un conduttore a due fogli di oro molto sottile. I "pani d'oro" separati o uniti come un corpo elettrostaticamente avvicinato.
Come funziona?
Un elettroscopio è un dispositivo utilizzato per rilevare l'elettricità statica negli oggetti vicini, sfruttando il fenomeno della separazione delle lamelle interne a causa della repulsione elettrostatica.
L'elettricità statica può essere accumulata sulla superficie esterna di qualsiasi corpo, sia per carico naturale che per sfregamento.
L'elettroscopio è progettato per rilevare la presenza di questo tipo di cariche, a causa del trasferimento di elettroni da superfici ad alta carica a superfici meno cariche elettricamente. Inoltre, a seconda della reazione delle lamelle, potrebbe anche fornire un'idea dell'entità della carica elettrostatica dell'oggetto circostante.
La sfera situata nella parte superiore dell'elettroscopio funziona come entità ricevente della carica elettrica dell'oggetto di studio.
Portando un corpo elettricamente carico più vicino all'elettroscopio, acquisirà la stessa carica elettrica dal corpo; cioè, se portiamo un oggetto con carica elettrica con un segno positivo, l'elettroscopio acquisirà la stessa carica.
Se l'elettroscopio è stato precedentemente caricato con una carica elettrica nota, si verificherà quanto segue:
- Se il corpo ha lo stesso carico, le lamelle metalliche che si trovano all'interno dell'elettroscopio saranno separate l'una dall'altra, poiché entrambe si respingeranno.
- Al contrario, se l'oggetto ha una carica opposta, le scaglie di metallo sul fondo della bottiglia rimarranno unite insieme.
Le lamelle all'interno dell'elettroscopio devono essere molto leggere, in modo che il loro peso sia bilanciato dall'azione delle forze di repulsione elettrostatica. Quindi, spostando l'oggetto di studio lontano dall'elettroscopio, le lamelle perderanno la polarizzazione e torneranno al loro stato naturale (chiuso).
Come viene caricato elettricamente?
Il fatto di caricare elettricamente l'elettroscopio è necessario per poter determinare la natura della carica elettrica dell'oggetto che ci avvicineremo al dispositivo. Se la carica dell'elettroscopio non è nota in anticipo, sarà impossibile determinare se il carico dell'oggetto è uguale o contrario a quel carico.
Prima di caricare l'elettroscopio, deve essere in stato neutro; cioè, con un numero uguale di protoni ed elettroni al suo interno. Per questo motivo, si consiglia di collegare l'elettroscopio a terra prima di eseguire la ricarica, per garantire la neutralità del carico del dispositivo.
Lo scarico dell'elettroscopio può essere effettuato toccandolo con un oggetto metallico, in modo che quest'ultimo scarichi a terra la carica elettrica esistente all'interno dell'elettroscopio.
Ci sono due modi per caricare un elettroscopio prima di testarlo. Di seguito sono riportati gli aspetti più rilevanti di ciascuno di questi.
Per induzione
Si tratta di caricare l'elettroscopio senza stabilire un contatto diretto con esso; cioè, si avvicina solo a un oggetto la cui carica è nota alla sfera ricevente.
Per contatto
Toccando la sfera ricevente dell'elettroscopio direttamente con un oggetto con carica nota.
A cosa serve?
Gli elettroscopi sono utilizzati per determinare se un corpo è elettricamente carico e distinguere se ha una carica negativa o carica positiva. Attualmente gli elettroscopi sono utilizzati nel campo sperimentale, per esemplificare con il loro uso la rilevazione di cariche elettrostatiche in corpi elettricamente carichi.
Alcune delle funzioni più importanti degli elettroscopi sono le seguenti:
- Rilevamento di cariche elettriche negli oggetti vicini. Se l'elettroscopio reagisce all'avvicinarsi di un corpo, è perché quest'ultimo è elettricamente carico.
- Discriminazione del tipo di carica elettrica che i corpi elettricamente carichi hanno, nel valutare l'apertura o la chiusura delle lamelle metalliche dell'elettroscopio, a seconda della carica elettrica iniziale dell'elettroscopio.
- L'elettroscopio è anche usato per misurare la radiazione dell'ambiente nel caso in cui ci sia materiale radioattivo intorno, a causa dello stesso principio di induzione elettrostatica.
- Questo dispositivo può anche essere utilizzato per misurare la quantità di ioni presenti nell'aria, valutando la velocità di carica e scarica dell'elettroscopio all'interno di un campo elettrico controllato.
Oggi gli elettroscopi sono ampiamente utilizzati nelle pratiche di laboratorio nelle scuole e nelle università, per dimostrare agli studenti di vari livelli di istruzione l'uso di questo dispositivo come rilevatore di carica elettrostatica.
Come fare un elettroscopio a casa?
È molto facile fare un elettroscopio fatto in casa. Gli elementi necessari sono facili da acquisire e il montaggio dell'elettroscopio è abbastanza veloce.
Di seguito sono elencati gli utensili e i materiali necessari per costruire un elettroscopio fatto in casa in 7 semplici passaggi:
- Una bottiglia di vetro. Deve essere pulito e molto secco.
- Un tappo per sigillare ermeticamente la bottiglia.
- Un filo di rame di calibro 14.
- Una pinza.
- Una forbice.
- Foglio di alluminio.
- Una regola.
- Un palloncino.
- Un panno di lana.
processo
Passaggio 1
Taglia il filo di rame fino ad ottenere una sezione che supera di circa 20 centimetri la lunghezza del contenitore.
Passaggio 2
Curl un'estremità del filo di rame, facendo una sorta di spirale. Questa parte eseguirà le funzioni della sfera di rilevamento della carica elettrostatica.
Questo passaggio è molto importante, poiché la spirale faciliterà la trasmissione di elettroni dal corpo dello studio all'elettroscopio, a causa dell'esistenza di una maggiore area superficiale.
Passaggio 3
Attraversa il tappo con il filo di rame. Assicurarsi che la parte arricciata sia rivolta verso l'alto dell'elettroscopio.
Passaggio 4
Fai una leggera curvatura all'estremità inferiore del filo di rame, a forma di L.
Passaggio 5
Tagliare le due lamelle di alluminio sotto forma di triangoli di circa 3 centimetri di base. È importante che entrambi i triangoli siano identici.
Assicurarsi che le lamelle siano abbastanza piccole da non venire a contatto con le pareti interne della bottiglia.
Passaggio 6
Include un piccolo foro nell'angolo superiore di ogni foglio e inserisce entrambi i pezzi di alluminio nella parte inferiore del filo di rame.
Cerca di mantenere il foglio di alluminio più liscio possibile. Se i triangoli in alluminio sono rotti o increspati troppo, è meglio ripetere i campioni fino a ottenere l'effetto desiderato.
Passaggio 7
Posizionare il tappo sul bordo superiore della bottiglia, con molta attenzione in modo che le lamelle di alluminio non si deteriorino o perdano l'assemblaggio fatto.
È estremamente importante che entrambe le lamelle siano in contatto quando si sigilla il contenitore. In caso contrario, è necessario modificare la piegatura del filo di rame finché i fogli non si toccano.
Metti alla prova il tuo elettroscopio
Per dimostrarlo è possibile applicare le nozioni teoriche precedentemente descritte in tutto l'articolo, come spiegato di seguito:
- Accertarsi che l'elettroscopio non sia carico: per farlo, toccarlo con un'asta di metallo per sradicare la carica rimanente nel dispositivo.
- Carica elettricamente un oggetto: strofina un palloncino contro un panno di lana per caricare la superficie del palloncino di carica elettrostatica.
- Avvicinati all'oggetto caricato alla spirale di rame: con questa pratica l'elettroscopio sarà caricato per induzione e gli elettroni del globo saranno trasferiti all'elettroscopio.
- Osservare la reazione delle lamine di metallo: i triangoli di alluminio si allontanano l'uno dall'altro, poiché entrambi i fogli condividono un carico dello stesso segno (negativo in questo caso).
Cerca di eseguire questo tipo di test nei giorni asciutti, poiché l'umidità di solito colpisce questo tipo di esperimenti casalinghi perché rende difficile il passaggio degli elettroni da una superficie all'altra.
