Rivista #229: “Elettrometro con barra a LED”

Sul fascicolo 229 (Ottobre 2018), attualmente in edicola, proponiamo la costruzione di un semplice e sensibile dispositivo per la misurazione dell’elettricità statica, e non solo: l’“Elettrometro con barra a LED”.

Uno degli strumenti che popolano i laboratori di Fisica delle scuole e che molti di voi avranno sicuramente visto negli anni da alunni delle Superiori, è l’elettrometro, nella sua forma canonica: si tratta di un apparato anche abbastanza semplice che mostra se un corpo possiede elettricità statica.

In queste pagine ve ne proponiamo una versione elettronica, modernizzata, dove l’elettricità statica posseduta da un corpo elettrizzato viene mostrata da una fila di LED.

L’ELETTRICITÀ STATICA: CAUSE ED EFFETTI

Tutti i materiali isolanti sono potenziali contenitori di elettricità statica, ovvero, possono accumulare e trattenere una carica elettrica positiva oppure negativa rispetto allo stato neutro, che è quello dove la quantità di carica positiva eguaglia quello della carica negativa. La carica elettrica nasce nell’atomo, che è l’elemento basilare costituente la materia, dove troviamo un nucleo composto da cariche positive, chiamate protoni, aggregate da particelle dette neutroni; le cariche negative sono rappresentate dagli elettroni, che girano intorno al nucleo in specifiche orbite (orbitali).

Malgrado abbiano massa notevolmente diversa, protoni ed elettroni possiedono uguale carica, ma di segno opposto e l’atomo è in condizione di equilibrio quando sono in uguale numero; la somma delle singole cariche fatta considerando la polarità prende il nome di carica netta ed è nulla solamente in particolari condizioni, in quanto ciascun atomo in condizioni normali presenta una valenza, ovvero uno scompenso di carica negli orbitali periferici.

Quando si verifica uno scompenso di carica negli atomi costituenti un materiale, si dice che il corpo è carico. Dato che i protoni sono interni al nucleo dell’atomo e non possono dunque muoversi, l’accumulo di carica può avvenire solo per via dello spostamento degli elettroni: un corpo si caricherà quindi negativamente se aggiungiamo elettroni, e positivamente se li portiamo via.

Questo accumulo si può ottenere in tre modi: per contatto (mettendo un corpo già carico in contatto con un altro vi è una distribuzione delle cariche in eccesso tra il primo ed il secondo), per induzione (mettendo un corpo già carico vicino ad un altro, questi si caricherebbe con segno opposto rispetto al primo) oppure per strofinio (sfregando tra di loro due corpi di materiale diverso, anche se inizialmente tutti e due fossero nello stato neutro).

Quest’ultimo fenomeno (detto effetto triboelettrico, dal greco tribos = sfregamento) è il maggiore responsabile del caricamento elettrico di quasi tutti gli oggetti isolanti con cui abbiamo a che fare nel nostro quotidiano: è infatti sufficiente camminare perché le nostre scarpe (se hanno una suola isolante) sfreghino sul terreno e accumulino cariche elettriche; oppure, sfregando un panno sintetico contro un qualsiasi altro oggetto isolante, e così via.

La carica netta, una volta accumulata, viene poi trattenuta dal corpo in virtù del suo isolamento; la carica si manifesta spesso (se la carica accumulata è sufficientemente elevata) come un minuscolo arco elettrico accompagnato dal classico crepitio: è la cosiddetta scarica elettrostatica.

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Lo schema a blocchi evidenzia il funzionamento del dispositivo: l’elettricità statica è costituito da una barretta di rame o altro conduttore, di superficie opportuna per potere rilevare le cariche dell’oggetto da misurare tramite contattazione diretta, oppure anche per induzione (in tal caso sull’elettrodo si accumulano cariche di segno opposto a quelle dell’oggetto avvicinato). A questo sensore è collegato un inseguitore (buffer) di tensione, il cui scopo è la separazione di impedenza tra l’ingresso e l’uscita: in altri termini, l’impedenza d’ingresso (“vista” dal sensore) dev’essere come abbiamo detto molto elevata; l’impedenza di uscita, viceversa, dev’essere bassa a sufficienza per pilotare lo stadio successivo senza che vi siano attenuazioni sul segnale. Quest’ultimo stadio è un amplificatore vero e proprio, regolabile in modo da adattare la sensibilità della visualizzazione al livello dell’elettricità statica captata dal sensore.

Abbiamo poi inserito un raddrizzatore a doppia semionda, per dare la possibilità di rilevare anche distribuzioni di carica variabili nel tempo (o meglio, alternate). Queste danno luogo a campi elettrici pure variabili, che possono essere captati e rilevati dal nostro strumento. Come applicazione pratica di questa caratteristica, si può rilevare la vicinanza dello strumento ai fili dell’impianto elettrico domestico, che generano un campo alternato a 50Hz.

L’articolo prosegue con:

SCHEMA ELETTRICO

MONTAGGIO E COLLAUDO

MISURAZIONE DELL’IMPEDENZA D’INGRESSO

CONCLUSIONI

Lo strumento presentato ci permette di assumere maggiore consapevolezza sull’esistenza delle cariche elettriche che ci circondano nella vita comune, cosa che normalmente non consideriamo ma che possono essere anche fonte di problemi, ad esempio quando maneggiamo i sensibilissimi componenti elettronici odierni senza le dovute precauzioni. Al di là della valenza didattica, la metodologia di rilevazione dell’elettrometro (che è di fatto un sensore di campo elettrico) trova diverse applicazioni pratiche, tra cui la misurazione dell’inquinamento elettromagnetico a bassa frequenza, la captazione del campo elettrico prodotto dalle scariche temporalesche e persino la rilevazione “a distanza” di segnali biomedici quali l’elettrocardiogramma (chi volesse approfondire questi argomenti potrà trovare parecchia documentazione digitando “electric potential sensor” in un motore di ricerca).

L’articolo completo è pubblicato sul numero 229, Ottobre 2018, acquistabile in tutte le edicole.