Come costruire un elettroscopio elettronico

L’elettroscopio è uno strumento che permette di riconoscere se un corpo è carico elettricamente. Si tratta, quindi, di un rivelatore di carica, ma a differenza dell’elettrometro non può quantificare la carica elettrica. In questo articolo illustreremo la costruzione di un elettroscopio elettronico e di un elettrometro elettronico, che permetteranno il primo di visualizzare in modo spettacolare, ed il secondo di misurare (sia pure soltanto in maniera relativa, non in valore assoluto), la carica elettrica di un corpo.

In laboratorio, gli esperimenti per studiare lo stato elettrico dei corpi sono effettuati con gli elettroscopi, e nei testi scolastici è possibile trovare i modelli classici di tali strumenti: il pendolino elettrico, l’elettroscopio a foglie d’oro, l’elettroscopio ad ago.

L’utilità di questi strumenti

L’elettroscopio a foglia d’oro è stato uno dei primi strumenti sensibili usati per indicare la carica elettrica. È ancora usato per dimostrazioni scientifiche, ma è stato superato nella maggior parte delle applicazioni da strumenti di misura elettronici. Come suggerisce il nome stesso, lo strumento consiste di due sottili foglie di lamina d’oro sospese da un elettrodo.

Quando l’elettrodo viene caricato per induzione o per contatto, le foglie acquisiscono simili cariche elettriche e si respingono a vicenda a causa della forza di Coulomb. La loro separazione è un’indicazione diretta della carica netta immagazzinata su di esse. Le foglie possono essere racchiuse in un contenitore di vetro per proteggerle dalle correnti d’aria e vi può essere fatto il vuoto per ridurre al minimo la perdita di carica. Si può realizzare facilmente con delle foglie di stagnola e un barattolo di vetro.

Un tipico elettroscopio a foglie di un laboratorio didattico in azione (fonte: Sbalordiscienza). Puoi trovare alcuni elettroscopi  e altri strumenti didattici qui.

Un’ulteriore causa di perdita di carica è costituita dalle radiazioni ionizzanti; per evitare ciò, l’elettrometro deve essere circondato da una schermatura di piombo. Va notato che questo tipo di elettroscopio di solito agisce come un indicatore e non un dispositivo di misurazione, sebbene possa venire calibrato. Si noti anche che l’effetto di perdita sopra menzionato può venire usato per rilevare le radiazioni ionizzanti, o addirittura per misurarle (come nei dosimetri con elettrometro al quarzo).

Nel gergo moderno, un elettrometro è un voltmetro elettronico estremamente sensibile, la cui impedenza di ingresso è così alta che la corrente che scorre in esso può essere considerata, ai fini pratici, pari a zero. Sono utili nella fisica nucleare dato che sono in grado di misurare le piccole cariche lasciate nella materia dal passaggio delle radiazione ionizzante. L’uso più comune degli elettrometri moderni è, probabilmente, proprio la misura della radiazione ionizzante, ad es. con camere di ionizzazione.

Gli elettrometri più moderni sono costituiti da un circuito amplificatore a stato solido che utilizza un transistor FET (cioè transistor “ad effetto di campo”), connessioni per dispositivi di misurazione esterni e anche eventualmente un display, connessioni per la registrazione dei dati e/o un’alimentazione ad alta tensione.

Un semplice elettroscopio elettronico

Proponiamo qui il progetto di un elettroscopio elettronico molto sensibile (da 100 o mille volte di più rispetto a un elettroscopio a foglia) costituito da un circuito elettrico estremamente semplice basato sulla sensibilità alle cariche elettrostatiche dei transistor ad effetto di campo (FET), e dunque rappresenta un ottimo banco di prova per lo scienziato dilettante alle prime armi con l’elettronica.

Un elettrometro è uno strumento elettrico per misurare la carica elettrica o la differenza di potenziale elettrico. Ve ne sono molti tipi diversi, che vanno dagli strumenti meccanici storici fatti a mano ai moderni dispositivi elettronici di alta precisione. L’elettrometro elettronico che qui proponiamo, non essendo calibrato, indica solo le grandezze relative di tensioni o cariche.

Ecco lo schema elettrico del semplice circuito da realizzare:

Lo schema elettrico di un elettroscopio elettronico.

I transistor ad effetto di campo (FET) sono componenti estremamente sensibili e possono danneggiarsi irrimediabilmente se non si fa accortezza.

In particolare, non bisogna toccare con le dita o con oggetti elettricamente carichi il filo di gate del FET, cioè quello collegato all’antenna. Proprio per questa ragione, nel circuito è presente, a valle dell’antenna, una resistenza che ha il compito specifico di proteggere il transistor dalle scariche accidentali.

I componenti principali di un elettroscopio elettronico fai-da-te.

Come antenna sono sufficienti i pochi centimetri di filo metallico che compongono un’estremità della resistenza, ma si può aumentare la sensibilità applicando al filo una pinzetta a coccodrillo oppure prolungandolo con uno spezzone di cavo (senza necessità di togliergli la guaina che lo ricopre).

In una giornata con aria secca e un’antenna lunga mezzo metro, il nostro apparato può rivelare oggetti elettricamente carichi a grande distanza: il piccolo led si illuminerà se uno anche solo strofina i suoi capelli a 5 metri di distanza!

Come usare l’apparato in pratica

Per testare il circuito, caricare elettrostaticamente una penna strofinandola sui capelli, dopodichè avvicinarla all’antenna del rivelatore: il led tenderà a spegnersi. Quando si allontanerà la penna, il led tornerà a illuminarsi.

Ciò significa che la penna ha un eccesso di carica negativa e il FET, percependola, si comporta come un interruttore facendo spegnere il led. Ci si può divertire a determinare la massima distanza a cui ciò avviene, il che ci dà grosso modo un’idea dell’estensione del campo elettrico intorno all’oggetto.

L’elettroscopio elettronico una volta realizzato. (fonte: Sbalordiscienza)

Se, invece di un corpo carico negativamente, avviciniamo all’elettroscopio un corpo carico positivamente, il led avrà un comportamento diverso: diventerà più luminoso, ma quando allontaniamo l’oggetto diventerà meno luminoso. Dunque, siamo in grado di distinguere se un corpo ha carica negativa o positiva.

Il nostro elettroscopio è così sensibile che può facilmente rivelare un potenziale elettrostatico di appena 1 V: in pratica, se un oggetto metallico viene poggiato su un supporto isolante e posto a contatto con l’antenna, l’apparato può rivelare se ha un potenziale elettrostatico, sia pure così piccolo.

Un semplice elettrometro elettronico

Si può a questo punto provare a costruire un elettrometro ultra-sensibile, che ha un circuito leggermente più complesso e richiede un amperometro (oppure un tester) per la lettura delle misurazioni, ma fornisce indicazioni quantitative sulla carica elettrica dei corpi.

Lo schema del circuito è il seguente:

Lo schema di un elettrometro elettronico fai-da-te.

La resistenza variabile permette di regolare la sensibilità ed è necessaria per poter utilizzare il circuito con qualsiasi tipo di amperometro (compresi quelli da pannello, ad ago oppure digitali, che forniscono sempre un ottimo effetto estetico).

Un vantaggio di questo elettrometro – come pure dell’elettroscopio elettronico illustrato in precedenza – è che non richiede un contatto fisico o elettrico fra lo strumento e la superficie da testare, assicurando così che non vi sia alcun trasferimento di carica.

Un esempio di realizzazione dell’elettrometro elettronico appena illustrato.

L’apparato è abbastanza sensibile da percepire il campo elettrico di una pila da 9V o di un condensatore carico fatto leggermente ondeggiare vicino all’antenna (che può essere una semplice pinza a coccodrillo, una sfera metallica o uno spezzone di filo attaccati all’estremità della resistenza da 10 MΩ). È anche in grado di rivelare lo strofinìo dei propri piedi su un tappeto a un metro di distanza.

Raffreddando un transistor FET convenzionale a una temperatura inferiore a 123 °C, è possibile realizzare un elettrometro ancora più sensibile, semplice e versatile con un’impedenza estremamente elevata. L’elettrometro può essere usato dalla corrente continua fino a una frequenza di 10 kHz. Senza riduzione della larghezza di banda, si può in teoria ottenere una sensibilità di pochi milionesimi di μV.

Come misurare la carica elettrica

Vale la pena di ricordare che la carica elettrica è una proprietà fondamentale delle particelle elementari, ed è definita per convenzione negativa per l’elettrone e positiva per il protone. Nel 1910, Robert Millikan dimostrò la quantizzazione della carica con il suo famoso esperimento per la determinazione del rapporto carica/massa dell’elettrone, grazie al quale determinò il valore della carica elementare misurando il moto di piccole goccioline di particelle cariche in un campo elettrico regolabile.

Illustrazione che sintetizza il concetto di carica elettrica in fisica.

Nel sistema di unità SI, la carica elettrica è misurata in Coulomb, dove 1 Coulomb = 1 Ampere x 1 secondo. In termini di costanti fisiche fondamentali, il Coulomb è misurato in unità della carica elementare e: 1 C = 1,60 x 1019 e, dove l’incertezza relativa nel valore della carica elementare è di 0,30 parti per milione (ppm).

In un elettrometro elettronico vero e proprio, anziché vedere le foglioline d’oro allontanarsi, si dovrebbe osservare un ago che si muove su una scala calibrata, oppure una lettura che si aggiorna sul display digitale di un tester. Pertanto, a differenza di un elettroscopio classico, esso deve consentire delle misure quantitative, inoltre è molto più sensibile e indica la polarità direttamente.

La sua utilità risiede nel fatto che, sebbene vi siano molti esperimenti di elettrostatica in cui è necessario misurare il potenziale, ve ne sono altri in cui è necessario misurare la carica. La misurazione della carica con un elettrometro è indiretta ma semplice. Essa è di solito basata sulla relazione Q = C x V, dove Q e V  sono la carica e la tensione ai capi di un condensatore e C è la sua capacità. Tale relazione dice che la carica di un sistema è uguale al prodotto della sua capacità per il relativo potenziale elettrico.

Un elettrometro, in effetti, può in genere essere pensato come un voltmetro di impedenza infinita in parallelo con un condensatore. Se il valore di C è noto, allora il valore della carica può venire facilmente calcolato grazie alla precedente formula. Comunque, se la capacità del sistema non è nota per un qualsiasi motivo – oppure non lo è in modo accurato – sebbene non possiamo calcolare la carica esatta, possiamo ancora effettuare misurazioni relative.

Schema ideale di un elettrometro elettronico.

In altre parole, se con il nostro elettrometro non possiamo calcolare la carica elettrica reale in valore assoluto, sappiamo comunque che, se lo strumento ci fornisce una lettura doppia rispetto a una misurazione precedente, allora la carica elettrica è anch’essa doppia rispetto a quella della misurazione precedente.

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