SCARICHE ELETTROSTATICHE
In fisica classica l'elettrostatica è una branca dell'elettromagnetismo che studia le cariche elettriche stazionarie nel tempo, generatrici del campo elettrostatico. Fin dai tempi di Talete, nel V secolo a.C., si era notato che una bacchetta di ambra strofinata con un panno era in grado di attirare piume, pagliuzze, fili, definendo il fenomeno elettrizzazione dei corpi Figura 1,2,3. Il termine "elettricità" deriva infatti proprio dalla parola greca "elektron", che significa ambra. Esistono due tipi di stati elettrici (o cariche): + positivo, come quello che assume il vetro elettrizzato; - negativo, come quello che assume l'ambra elettrizzata. Cariche dello stesso segno si respingono, mentre cariche di segno opposto si attraggono, in entrambi i casi nel rispetto della legge di Coulomb.
I primi esperimenti e ricerche documentati sull'elettrostatica risalgono alla Grecia antica del 600 a.C. con Talete di Mileto e Teofrasto, scoprirono che strofinando dell'ambra (che appunto in greco antico era chiamata ἤλεκτρον, élektron) con un panno di lana, permetteva di attirare verso sé delle pagliuzze, piume, fili e similari. Le diverse forme di questo espediente vennero successivamente nel 1600 chiamate "fenomeni elettrici" grazie ad un secondo contributo scientifico riguardo allo studio di tali fenomeni, da parte di William Gilbert, che distinse tali fenomeni da quelli magnetici, in quanto aveva osservato che i fenomeni elettrici avevano un'energia finita (che venne chiamata fluido elettrico) e la forza di attrazione durava fin quanto c'era sufficiente energia, coniando anche il termine forza elettrica.
Se si prende in considerazione un esperimento molto semplice: dopo esserci pettinati i capelli, in una giornata molto secca, avviciniamo il pettine a dei pezzetti di carta. Si osserverà che i pezzi di carta vengono attratti dal pettine immediatamente. E' lo stesso esempio delle bacchette di ambra e vetro succitate.
Tale proprietà elettrica da luogo ad un fenomeno di interazione assai più intenso di quello gravitazionale.
Tra le interazioni di tipo elettrico e gravitazionale esistono però alcune differenze. Se si prende una pallina di sughero appesa ad un filo, e si avvicina una bacchetta di ambra ( a ) essa verrà attratta . Allo stesso modo se si avvicina una bacchetta di vetro ( b ), alla pallina di sughero anche essa verrà attratta. Ma se si avvicinano simultaneamente la bacchetta di vetro e di ambra ( c ), senza toccarle tra di loro, si vedrà che la pallina di sughero verrò attratta di meno. Figura 1.
Si deduce quindi che esistono due processi simili ma opposti, di modo tale da fare chiamare l'azione del vetro positivo e quello dell'ambra negativo.
Ora se si usano due palline di sughero appese ad un filo e poste nelle vicinanze, si potrà notare che se si tocca con la bacchetta di vetro ( d ) le due palline, esse si respingono. Stesso fenomeno se si toccano le palline con la bacchetta di ambra ( e ): si respingono. Mentre se si tocca una pallina con una bacchetta di vetro e l'altra pallina con una bacchetta di ambra si noterà che le palline si attraggono ( f ). Figura 2.
Pertanto in base alla formula della gravitazione F=G(Mm)/r², si può affermare che due corpi che possiedono la stessa carica si respingono(avendo lo stesso tipo di elettrizzazione positivo o negativo), mentre si attraggono se possiedono elettrizzazione diversa (uno positivo ed uno negativo).
La maggior parte dei corpi è costituita da egual parti di cariche positive e negative , quindi l'effetto di attrazione o repulsione è praticamente nullo e/o debole.
Viene necessario a questo punto parlare di carica elettrica che deriva dalla massa elettrica di ciascun corpo, chiamata più comunemente carica elettrica. Ne deriva che per ciascun corpo esistono due elementi che lo contraddistinguono: una massa ed una carica.
Un corpo che mostra uno stato positivo di elettrizzazione possiede carica elettrica positiva , ed un corpo che ha stato di elettrizzazione negativo ha carica negativa.
Infine la carica complessiva di un corpo è data dalla somma algebrica delle due quantità: carica positiva + carica negativa.
La carica totale, di un sistema isolato, rimane invariata in qualsiasi fenomeno fisico.
E' giunta l'ora di introdurre il concetto di Coulomb (ingegnere francese Charles de Coulomb (1736-1806)).
L'interazione elettrostatica tra due particelle cariche è proporzionale alle loro cariche ed inversamente proporzionale al quadrato della distanza, e la direzione è quella della linea congiungente le due cariche. Ciò può essere matematicamente espresso dalla relazione :
F=Ke(qq')/r².
Dove r è la distanza delle cariche q e q', F la forza agente su ciascuna carica, e Ke è una costante che dipende dalle unità di misura adottate. Usando il sistema MKSC si fissa Ke=9*10 alla 9. Pertanto la forza sarà espressa in Newton.
Quindi il Coulomb è la carica che posta ad un metro da una carica uguale nel vuoto, la respinge con una forza di 8.9874*10 alla 9 Newton. Questa formula è valida solo nel vuoto, pertanto per ragioni pratiche e di calcolo conviene esprimere Ke=1/(4 pigreco epsilon0). dove epsilon0 è la permeattività del vuoto pari a epsilon0=10 alla 7/(4 pigreco c²)=8.854*10 alla -12 [N alla-1 x m alla-2 x C²]. Ne deriva quindi che: F=(qq')/(4 pigreco epsilon0 r²). Le cariche q e q' devono essere introdotte con il loro segno, quindi a valori negativi di F, corrispondono forze attrattive mentre a valori positivi corrispondono forze repulsive.
Tornando alla storia, il terzo contributo avvenne da parte di Otto Von Guericke verso la metà del XVII secolo, sia per la realizzazione del primo generatore elettrostatico (macchina elettrostatica a strofinio di Guericke), con la quale osservò le scariche elettriche generate durante il suo caricamento e la relativa luminescenza e crepitio (tale fenomeno venne chiamato "fuoco elettrico"), ma che dimostrò anche come la forza elettrica generata da un corpo carico potesse essere trasportata, applicando a tale corpo carico un filo, che ha le stesse proprietà del corpo carico. Guericke fece poi un'altra importante scoperta: studiando l'ambra notò infatti come gli oggetti che venivano inizialmente attirati da essa, una volta a contatto con l'ambra caricata, venivano respinti dalla stessa, dimostrando così che la forza elettrica può essere sia attrattiva che repulsiva.
La più nota macchina per produrre differenza di potenziale è quella di Van der Graaf, VIDEO 7; macchina con alimentazione elettrica di un motore che mette in moto un natro strisciante alla base che riempie di carice la parte superiore. Se si avvicina una altra sfera messa a terra si vedranno delle scariche elettriche anche di parecchi decimetri del valore di alcuni milioni di volt. Figura 3.
Successivamente Charles François de Cisternay du Fay, determinò l'esistenza di una carica elettrica positiva e di una negativa, che venivano generate da sostanze differenti, che vennero chiamati "resinosi" (ambra, gomma dura, ceralacca, sostanze resinose) e "vetrosi" (vetro e simili), scoprendo anche che i corpi caricati allo stesso modo e quindi con le stesse cariche elettriche si respingevano (ambra-ambra o vetro-vetro), mentre i corpi caricati con cariche differenti si attraevano (ambra-vetro), allo stesso tempo suppose che i corpi neutri contenessero uguale quantità dei due fluidi elettrici, mentre i corpi carichi avessero un eccesso di un fluido rispetto all'altro.
Successivamente venne definito con più precisione come l'elettrizzazione avviene per cessione di elettroni (quindi caricandosi positivamente) o per acquisizione di elettroni (caricandosi negativamente), in quanto lo spostamento degli elettroni richiede energie molto esigue rispetto ai protoni.
Ed ora veniamo al motivo di questo ampio preambolo. Nei giorni ventosi od all'avvicinarsi di un temporale, con vento e cambi di umidità, il bocchettone SO-239, di un deviatore di antenna Figura 4, a cui è collegato un dipolo per i 40 metri ed una antenna Skylab (Ground Plane per i 10/11 metri) Figura 6, produce delle scariche elettrostatiche (in posizione Ground Plane) anche con rapida successione. Questo perché l'antenna ha i radiali di massa collegati con una puntazza di terra Figura 5, ed il radiatore è isolato. (quelle piccole scariche , se collegato ad un apparato radio non sarebbero certo un toccasana). Video 1.
La sistemazione di questa antenna attira parecchi fulmini, con grande spavento e nessun danno , "sino ad ora". Queste scariche in casa, sono dovuto al tempo atmosferico ed al vento che strisciando sugli elementi dell'antenna, genera una carica elettrostatica che va a scaricare a terra passando dal bocchettone d'antenna. Che scarica vistosamente e sonoramente.
Dipende poi dal tipo di fulmine, se è positivo quindi diretto dalla parte bassa della nuvola verso terra con (ramificazione verso il basso) più pericoloso rispetto a quello negativo diretto verso la parte alta della nuvola.
Nel pomeriggio di Sabato, il 2 aprile 2022, un fulmine ha centrato la struttura accanto al razzo lunare della missione NASA - Artemis I. Il fulmine ha colpito un pilone sulla rampa di lancio 39B (in America/NASA) Video 2 (Questa clip è stata pubblicata in un tweet dal fotografo Jerry Pike. Info tratte da: space.com), mentre il lanciatore stava facendo le prove generali. Il conto alla rovescia non è stato sospeso e per il giorno successivo è previsto ancora il riempimento dei serbatoi.
Altro evento il 27/05/2019 un missile Soyuz 2.1b lanciato dal cosmodromo di Pleseck è stato colpito da un fulmine. L’incidente è avvenuto circa 10 secondi dopo il lancio, avvenuto alle 9.23 (ora moscovita), ma non ha impedito la corretta esecuzione della missione. Secondo quanto riportato dai media russi, il fulmine avrebbe colpito l’involucro del missile nella parte superiore e nella terza sezione della struttura. Il missile Soyuz 2.1b ha portato nell'orbita terrestre il sistema satellitare globale di navigazione Glonass-M. Video 3.
Dove si lavora, zone a rischio sia incendio, esplosione, danneggiamento apparati elettronici, protezione personale, occorrono degli accorgimenti. Si narra un particolare incidente, causato da una scarica atmosferica indiretta, su un recinto metallico, dove era legato un cane da guardia, con una catena metallica. Durante un temporale, un fulmine e' caduto nelle vicinanze ed il cane e' rimasto fulminato, a causa della mancata protezione di tensione di passo, per mancanza di rete metallica equipotenziale interrata. Quando ci sono temporali all'aperto, non usate ombrelli e non ripararsi sotto alberi e vicino a strutture metalliche tralicci e guard raill . Rimanere a piedi uniti per evitare fulminazione a causa della differenza di potenziale tra i due piedi, (chiamata tensione di passo).E' meglio aspettare e tornare a casa bagnati, ma vivi.
Il motivo e' semplice, basta guardare gli alberi colpiti da fulmini, si disintegrano poiché la pressione interna causata dalla vaporizzazione della linfa, con passaggio di correnti elevatissime Video 4.. Stessa cosa accade ai comignoli sulle abitazioni, l'acqua bagna la struttura, la corrente elevata riscalda e demolisce.
I supporti di ceramica per isolare il cavo di discesa dei parafulmini sono collegati al muro della struttura, con supporti di ottone aperti per evitare la spira chiusa, che si fonderebbe al passaggio di elevatissima corrente da fulminazione. Principio di funzionamento pinza amperometrica .
Credo, più che altro, che possiamo solo fare due cose.
La prima è sperare di far funzionare le antenne, pali ed altro, come parafulmine per evitare proprio che la scarica scocchi e che il sistema venga colpito in modo diretto.
La seconda è proteggere il tutto da impulsi indiretti come un fulmine che cade "vicino" al nostro sistema. (successo a me tanti anni fa, per 3 volte nel giro di 20/30 secondi).
In questo caso un buon anello di treccia di rame interrato intorno alla casa dovrebbe ridurre il rischio di tensioni di passo internamente all'anello, e tutte le messe a terre dovrebbero riuscire a convogliare l'impulso a terra (che però non è 10.000 A perché altrimenti viene tutto vaporizzato all'istante)
1° obiettivo: salvare le persone
2°obiettivo: salvare apparecchiature e manufatti
Le cariche elettrostatiche potrebbero causare alcune scosse sgradevoli quando si tocca una maniglia, cambio degli abiti o semplicemente toccare qualcun altro nella vostra casa.
Aumentare l’umidità dell’aria è la chiave per ridurre l’elettricità statica. Questo è spesso più di un problema durante l’inverno a causa dell’uso di riscaldatori per la deumidificazione dell’aria. Le cariche elettrostatiche possono provocare scintille e rumori scoppiettanti Video 1. Lo shock statico è doloroso e fastidioso..
Credits:
https://it.wikipedia.org/wiki/Elettrostatica
Alonso / Finn
Fotografo Jerry Pike
space.com
Prof.ssa Galfo
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