Fisica per le superiori/Moto di una carica in un campo elettrico

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Spesso, al centro delle grandi ciminiere di molti impianti industriali viene collocato un filo metallico e viene applicata una differenza di potenziale tra il filo e la parete della ciminiera per trasformarla in una sorta di condensatore cilindrico. Salendo, i fumi di scarico devono attraversare il campo elettrico a lungo raggio del condensatore, che genera una forza di attrazione verso il filo centrale, su cui depositando, riducendo in modo sensibile le emissioni nocive nell’atmosfera.

Il principio utilizzato da questi dispositivi è un semplicissimo fenomeno di polarizzazione. Le particelle si comportano infatti proprio come le bacchette neutre del pendolo di torsione, descritto nel primo paragrafo di questa trattazione sull’elettrostatica, dove abbiamo osservato che i corpi carichi generano coppie di forse di mutua interazione con i corpi neutri.

Tuttavia, non possiamo sentirci del tutto sicuri di avere ancora compreso molto bene quel fenomeno, come potremmo riconoscere se solo ci provassimo a porre un paio di domande particolari, come queste:

  • Un condensatore è un dispositivo formato da due superfici cariche, una di segno positivo e una di segno negativo: perché i fumi delle ciminiere sono attratti esclusivamente dal filo centrale, e non dalle pareti?
  • Di che segno deve essere la carica del filo elettrico per generare il fenomeno?

La seconda domanda è particolarmente imbarazzante. I fumi sono composti da particelle elettricamente neutre, dunque non sono in grado distinguere il segno di un campo elettrico. D’altra parte, giocando con i pendoli di torsione, avevamo constatato che l’attrazione tra corpi neutri e corpi carichi è indipendente dal segno di questi ultimi e non è mai repulsiva.

Prima di arrivare a una spiegazione esaustiva dell’intero fenomeno, proviamo ad analizzare una seconda situazione, un po’ diversa da quella presente. Immaginiamo di studiare il comportamento di un camino un po’ anomalo, che possegga, in luogo della comune bocca di forma circolare, un corpo a sezione rettangolare, con uno dei due lati molto più esteso dell’altro. Immaginiamo anche di utilizzare questa geometria per realizzare un condensatore piano. In questo caso, le particelle di fumo si troveranno esposte a un campo elettrico perfettamente costante su tutto il proprio percorso. In queste condizioni, ciascuna particella verrà polarizzata, ma saranno applicate su di essa due forze uguali e contrarie.

L’unico comportamento possibile, per una carica neutra in un campo elettrico costante è una oscillazione nella direzione del campo elettrico, sotto l’azione di una coppia di forze con risultante nulla.

In conclusione, i fumi continueranno a salire, in un campo elettrico costante, come se il campo stesso non esistesse per nulla.

Ritorniamo finalmente al modello del nostro camino. Stiamo cominciando a capire che la causa della cattura non dipende dal segno del campo elettrico, ma dalla sua natura variabile nello spazio.

Nell’immagine a fianco, è rappresentato un insieme di linee di campo, proprie di un campo elettrico variabile. Nel mezzo è rappresentato un oggetto polarizzato. Come si può vedere, le cariche opposte sono distribuite in punti differenti dello spazio, nei quali il campo elettrico varia in intensità. Di conseguenza, la somma algebrica delle forze elettriche è diversa da zero, generando un moto che è sempre diretto verso la zona in cui il campo elettrico è più intenso.

I fumi del nostro camino, di conseguenza, si rivolgono sempre verso il filo centrale, quale che sia l’orientazione del campo, perché in prossimità del filo le linee di campo sono più dense.