Giovani per la Scienza

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Bilancia di Coulomb

Bilancia di Coulomb

Gruppo : Silvia Roetto (responsabile), Paolo Rizzo (vice-responsabile), Alessandra Vita, Alessandro Sercia, Alessio Semenza, Davide Majetta, Martina Berta, Massimiliano Terzano.

Introduzione:

Il nostro obiettivo è ricavare sperimentalmente la legge di Coulomb, con un progetto intuitivo, semplice da costruire e che possa essere versatile. L’idea di base è di sfruttare il principio su cui si basano le bilance a piatto: da una parte avremo due corpi carichi dove agirà una forza elettrica, dall’altra avremo un indice graduato che ci permetterà di leggere l’intensità di essa. Siamo partiti prendendo spunto da un celebre esperimento del MIT di Boston, cercando di adattarlo alle nostre esigenze e possibilità, usando materiali facili da lavorare e poco costosi.

Un po’ di teoria…

Il nostro progetto lega due aspetti diversi della fisica: la meccanica e l’elettromagnetismo. Il primo viene dal principio su cui ci affidiamo per fare le nostre misurazioni: il momento della forza, cioè la capacità di una forza nel mettere in rotazione un oggetto rispetto ad un punto chiamato fulcro. Il classico esempio pratico sono le leve, nel nostro caso è una del 1° tipo con il fulcro in mezzo:

1

FR la forza resistente
bR il braccio della forza resistente rispetto al fulcro
FM la forza motrice
bM il braccio della forza motrice rispetto al fulcro

Il momento viene definito dalla seguente formula: M=F*b Il secondo aspetto, invece, riguarda la capacità delle cariche elettriche di interagire tra loro tramite la legge di Coulomb, della quale vogliamo verificare l’accuratezza con il nostro esperimento. Le cariche elettriche possono essere positive(protoni) o negative(elettroni), esse, insieme ai neutroni, costituiscono l’atomo.atomoUn corpo si carica quando si ha uno squilibrio di cariche: un acquisto di elettroni fa sì che il corpo diventi carico negativamente mentre una perdita di elettroni, al contrario, comporterà un corpo carico positivamente. Le interazioni tra le cariche e quindi la forza che agisce su di esse viene definita dalla legge di Coulomb: Fc=k*q1*q2/r Due cariche interagiscono con la suddetta forza, attraendosi se sono di segno opposto e respingendosi se sono di segno uguale: F_coulomb Legando i due aspetti e analizzando la legge di Coulomb, abbiamo deciso di procedere con l’esperimento ponendo le cariche a diverse distanze per verificare la proporzionalità inversamente quadratica tra la forza e, appunto, la distanza. Successivamente andremo a variare la quantità di carica per vedere se effettivamente esiste una proporzionalità diretta tra ogni carica e la forza di Coulomb. Se entrambe le prove daranno una risposta positiva potremmo dire che l’esperimento funziona e che è in grado di appurare con semplicità l’esattezza di tale legge.

… e un po’ di pratica

Per costruire la bilancia di Coulomb abbiamo usato:

  • Due sfere di metallo
  • Quattro aste di legno di, rispettivamente, 1m, 1m,1.2m e 1.5m
  • Due cuscinetti a sfera
  • Una molla
  • Una base rettangolare 50cm x 30cm, sempre in legno
  • Un nastro di carta graduato
  • Un sostegno mobile per la sfera che dovrà spostarsi
  • Viti di diverse misure

Per prima cosa abbiamo portato le aste e la base di legno alle dimensioni desiderate, quindi abbiamo fissato le aste da 1m sulla base con delle viti e ci siamo assicurati che fossero solide applicando dei piccoli parallelepipedi in legno tra l’una e l’altra, bloccando anch’essi con delle viti.3   In questa fase abbiamo avuto dei problemi nel trovare la dimensione e la posizione ottimale delle viti per assicurare una buona solidità all’esperimento e non rompere il legno, che si è rivelato più fragile del previsto. 2

Quindi abbiamo praticato due fori in cima alle due aste di legno e vi abbiamo inserito i due cuscinetti a sfera, che serviranno a ridurre l’attrito durante la rotazione dell’asta, causata dall’interazione tra cariche. 4La principale difficoltà in questa fase è stata riuscire a portare i fori nel legno alla dimensione voluta e a renderli circolari. Dopo di ciò siamo passati alla costruzione del sostegno per la sfera mobile avendo problemi a trovare delle sfere metalliche idonee all’esperimento. Abbiamo modificato un sostegno per la doccia così da renderlo più adatto all’utilizzo con l’applicazione di alcuni elementi in legno. Quindi abbiamo fissato il sostegno in metallo all’asta di 1.2m con l’applicazione di due viti e vi abbiamo assicurato un supporto per la sfera. 5 Quindi, dopo aver deciso di ricoprire con della stagnola due sfere particolarmente leggere, caratteristica indispensabile per il buon funzionamento dell’esperimento, ne abbiamo fissata una all’estremità dell’asta di 1.5m con la colla a caldo. In seguito abbiamo assemblato l’asta in questione, assicurandola al sostegno mediante un perno e creando così una leva con due bracci di diversa lunghezza: la parte fornita di sfera di circa 30cm e quella a cui verrà poi applicato l’indicatore di 1.2m per migliorare la precisione delle misurazioni. 6 L’esperimento è ancora in costruzione e quindi non siamo riusciti a finire tutti gli elementi e a testare la sua efficienza. In seguito assicureremo la sfera sul supporto mobile e applicheremo la stagnola su entrambe. Fisseremo una molla molto sensibile sul braccio più lungo della bilancia, per bilanciare il peso della sfera, e, a quel punto, potremmo provare l’esperimento ponendo le sfere cariche a diverse distanze l’una dall’altra, cercando così di verificare la legge di Coulomb. 7