STEP #4 : IL PRINCIPIO FISICO

 

 DA ENERGIA MECCANICA A ENERGIA ELETTRICA 

 

 

Macchina a frizione del XVII secolo 

La macchina elettrostatica è un generatore    elettromeccanico che produce elettricità statica ovvero un accumulo superficiale e localizzato di cariche elettriche su un corpo. Il principio di funzionamento si basa sulla conversione di energia meccanica in energia elettrica. I generatori elettrostatici, infatti, separano cariche elettrostatiche di segno opposto che si distribuiscono tra i due conduttori. La carica, che viene generata per induzione o attrito, è trasferita a un elettrodo ad alto potenziale mediante piastre mobili, tamburi o cinghie.

Le macchine ad attrito si basano sull’effetto triboelettrico ossia il principio secondo il quale l’elettrificazione di alcuni materiali può avvenire per contatto o attrito. La presenza di uno squilibrio di carica superficiale sugli oggetti comporta la presenza di forze attrattive o repulsive. Tale squilibrio può essere generato collegando fisicamente due superfici diverse o sfregandole l’una sull’altra. Tale sfregamento genera una grande quantità di elettricità statica. La prima macchina ad attrito fu inventata da Otto von Guericke (fisico tedesco) nel 1663, e basava il suo funzionamento su un globo di zolfo che poteva essere ruotato e strofinato a mano. Solo anni dopo, nel 1706 per l‘esattezza, lo scienziato britannico Francis Hauksbee migliorò la precedente progettando un meccanismo che facesse ruotare rapidamente una sfera di vetro contro un panno di lana. Nei decenni successivi, in particolare dopo l’invenzione della bottiglia di Leyda (1), furono proposti numerosi modelli di macchine elettriche (globi, cilindri, dischi di vetro).

L’effetto triboelettrico è molto prevedibile, già nel VII secolo Talete di Mileto sperimentò che strofinando una bacchetta di ambra con un panno di lana si generava elettricità. 

Tale elettricità veniva trasferita poi da un corpo all’altro grazie alla presenza di un conduttore (materiale propenso al passaggio delle cariche) che collegava i due oggetti e la immagazzinava sulla superficie degli stessi.

Macchina elettrostatica ad attrito 

Le macchine ad induzione invece hanno una storia più recente. Le prime vengono costruite in seguito all’invenzione dell’elettroforo (2) di Alessandro Volta (1775). L’elettricità, infatti, non era generata dallo strofinamento, ma da un complesso gioco di induzioni elettrostatiche (fenomeno per cui la carica elettrica all’interno dell’oggetto viene redistribuita a causa della presenza di un altro oggetto carico nelle vicinanze). Nel 1882 l’ingegnere inglese James Wimshurst ideò una macchina ad induzione in grado di produrre un’elevata differenza di potenziale e dunque raggiungere alcune centinaia di migliaia di volt. Era costituita da due dischi uguali di materiale isolante (vetro) che ruotavano attorno allo stesso asse in verso opposto grazie ad un sistema meccanico a manovella. Durante la rotazione dei dischi, una carica, inizialmente presente su un settore, passando in corrispondenza del settore che sull’altro disco è in contatto con la spazzola, induceva su quest’ultimo una carica di segno opposto. Contemporaneamente una carica di egual segno si accumulava sul settore di partenza, anch’esso sostenuto dal medesimo supporto. I due settori così caricati lasciavano le spazzole e portavano le rispettive cariche in prossimità delle punte dove venivano trasferite alle armature interne dei condensatori che quindi si caricavano con segni opposti. Quando la differenza di potenziale era sufficientemente alta scoccava la scintilla.

Macchina elettrostatica di Wimshurst, schema di funzionamento

Tali macchine vennero ampiamente utilizzate, tuttavia l’introduzione di sistemi più efficaci per produrre alte tensioni, ad esempio i trasformatori, ne ridusse l’uso. Eccezion fatta per il generatore elettrostatico a nastro ideato da Robert Van de Graaff negli anni Venti del Novecento, quest’ultima era in grado di produrre le altissime tensioni necessarie nel campo dell’emergente fisica atomica e nucleare. Tutt’ora questa macchina, notevolmente perfezionata, è ampiamente utilizzata nei laboratori di ricerca e in campo industriale.

 

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Note:

(1) È il prototipo del condensatore elettrico. Consiste in una bottiglia di vetro circondata all’interno e all’esterno da sottili strati metallici. La sua funzione è quella di permettere di accumulare grandi quantità di cariche elettriche. 

(2) Generatore elettrostatico in grado di accumulare una modesta quantità di carica elettrica.  È costituito da un disco di materiale conduttore che si impugna attraverso un manico isolante ed è utilizzato insieme ad una superficie di materiale isolante (ebanite, lana).

 

Fonti:

(La stanza degli strumenti scientifici – Liceo Dini) : Elettromagnetismo http://wunderkammer.liceodini.it/elettromagnetismo/elettrostatica-2/macchine-elettrostatiche/macchina-di-wimshurst.html

(Lombardia beni culturali) : Patrimonio scientifico e tecnologico https://www.lombardiabeniculturali.it/scienza-tecnologia/schede/8e020-00295/

(Museo Galileo) : Approfondimenti   https://catalogo.museogalileo.it/approfondimento/MacchinaElettrostatica.html

(Wikipedia) : Effetto triboelettrico  https://it.qiq.wiki/wiki/Triboelectric_effect

(Wikipedia): Generatore elettrostatico   https://it.qiq.wiki/wiki/Electrostatic_generator

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