Fisica per scuole superiori - Elettrostatica
Italiano
Intermediate
Domande sui fenomeni dell'elettrostatica: conduttori e isolanti, cariche elettriche, Legge di Coulomb, campo elettrico, potenziale elettrico, capacità
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30
Questions
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Educational explanations. 👍 Explanations cover why the correct answers are correct and why the wrong answers are wrong (when appropriate). E.g.: #q10, #q2, #q25
Attenzione solo alla domanda 30 (Il campo elettrico in un punto P generato da un insieme di cariche poste nel vuoto è pari a 422N/C [...]).
La risposta è corretta, ed anche la spiegazione, però quest’ultima è fuori dal contesto della domanda, cioè pur esplicitando un concetto fisico (le cariche vengono ostacolate nel loro moto da un qualsivoglia mezzo materiale) ciò non spiega il perché della diminuzione di intensità del campo elettrico ‘E’. Infatti i portatori del campo elettromagnetico non sono le cariche in sé (le quali lo generano soltanto) bensì i fotoni, e la comprensione dei meccanismi della propagazione di tale campo richiede conoscenze approfondite di meccanica quantistica (inopportune in questa sede). Dalla meccanica quantistica comunque (approssimando) si giunge alle equazioni di Maxwell, che spiegano egregiamente il fenomeno elettromagnetico su scale superiori a quelle quantistiche, compresa quindi la scala macroscopica.
Andando al sodo della questione: il campo elettrico diminuisce di intensità in presenza di un materiale dielettrico (cioè isolante) non perché le cariche che generano il campo non possono muoversi nel dielettrico (anche se ciò è vero) ma per il fenomeno della polarizzazione del dielettrico; se le molecole del dielettrico sono polari (come nel caso della molecola d’acqua che pur essendo complessivamente neutra, ha gli atomi di H parzialmente positivi e l’atomo di O parzialmente negativo - https://it.wikipedia.org/wiki/Polarità) la polarizzazione avviene per l’orientamento delle molecole nella direzione del campo. Se le molecole del materiale sono apolari (cioè hanno un certo tipo di simmetria che distribuisce la carica dovuta agli orbitali atomici in modo uniforme) allora si ha polarizzazione per deformazione delle molecole che genera un momento di dipolo elettrico (https://it.wikipedia.org/wiki/Dipolo_elettrico). I due fenomeni avvengono comunque sempre a prescindere, anche se con entità differente in base al materiale (per approfondire: https://it.wikipedia.org/wiki/Polarizzazione_elettrica#Polarizzazione_elettrica)
Per quanto riguarda i conduttori invece (nel quale le cariche possono muoversi) il fenomeno prevalente è l’induzione elettrica (https://it.wikipedia.org/wiki/Induzione_elettrostatica). Le cariche sono libere di riposizionarsi in maniera da avere una distribuzione non uniforme all’interno del conduttore.
Il fenomeno risultante in tutti e tre i macro-casi sopracitati, è comunque la polarizzazione del materiale investito dal campo elettrico (quello di 422N/C della domanda). Questa polarizzazione genera un SECONDO campo elettrico (detto di polarizzazione appunto) che ha sempre verso opposto al campo elettrico di partenza, in ciascun punto dello spazio. Tale campo di polarizzazione dunque si va a sottrarre al campo elettrico originario, con il risultato di “depotenziare” il campo elettrico complessivo.
Il terzo membro della prima equazione scritta in: https://it.wikipedia.org/wiki/Polarizzazione_elettrica#Equazioni_di_Maxwell_per_i_dielettrici
esplicita chiaramente la diminuzione del campo ‘E’ per effetto del termine ‘P’ (vettore polarizzazione); la presenza delle cariche di polarizzazione appunto (o del momento di dipolo elettrico, in generale), aggiunge un termine correttivo alla legge di Gauss (https://it.wikipedia.org/wiki/Teorema_del_flusso#Campo_elettromagnetico - ultima equazione del paragrafo “Campo elettrico”); tale termine correttivo va a sottrarsi al termine originario dovuto alle sole cariche libere; l’effetto finale è proprio la diminuzione del campo elettrico complessivo.