Elettrostatica

Come accennato nella pagina precedente, l'elettrostatica studia le cariche elettriche in quiete, il fenomeno dell'elettrizzazione e la trasmissione delle cariche da un corpo a un altro.

Esistono due tipi elettricità

Il chimico francese Charles François de Cisternay du Fay (1698 - 1739), incuriosito dagli esperimenti di alcuni scienziati inglesi come Stephen Gray (1666 - 1736), attraverso una serie di esperienze dimostrò che la proprietà di elettrizzarsi per strofinio non è propria solo dell'ambra, ma appartiene anche da altre sostanze.
Nel 1733 scoprì che esistono due specie di elettricità:

• l'elettricità resinosa, che si ottiene strofinando con un panno di lana sostanze come l'ambra, la ceralacca, l'ebanite, ecc. a cui oggi si dà convenzionalmente il nome di elettricità negativa (-);
• l'elettricità vitrea, che si ottiene strofinando il vetro o sostanze simili con un panno di seta, convenzionalmente chiamata elettricità positiva (+).

I termini positivo e negativo sono arbitrari; fu Benjamin Franklin a stabilire l'odierna convenzione di considerare negativi gli elettroni, definendo arbitrariamente positiva la carica che assume il vetro strofinato con un panno di seta.

L'elettricità nel XVIII secolo era pensata come un fluido di due tipi che si spostano da un corpo a un altro.
Secondo Benjamin Franklin, invece, esiste un solo fluido: un eccesso di fluido elettrico in un corpo dà luogo a una carica positiva, mentre una carenza di questo fluido si manifesta come carica negativa.

Dalla seconda metà dell'Ottocento, invece, si dimostrò che non esistono dei fluidi indipendenti, ma la carica è una proprietà delle particelle che compongono i corpi.

Elettricità statica

L'elettricità positiva o negativa che si accumula sulla superficie di un corpo si chiama elettricità statica.
Il fenomeno è facilmente rilevabile sotto forma di piccole scosse quando ci si toglie una maglia di lana o di tessuto sintetico, quando si prende la scossa scendendo dall'auto o quando si pettinano i capelli. Una manifestazione spettacolare è quella dei lampi durante un temporale.

La carica elettrica

Gli effetti descritti sopra dipendono da un ente fisico, costituente fondamentale della materia, chiamato carica elettrica. Poiché esistono due specie di elettricità, ci sono altrettanti tipi di carica elettrica:

• la carica elettrica positiva;
• la carica elettrica negativa.

La carica positiva e quella negativa ha il medesimo valore, indipendentemente dal segno, è trasferita sempre intera, cioè non è frazionabile (si veda più avanti la Legge di Coulomb) e quindi non è un fluido, come veniva interpretato nel XVIII secolo.

In un corpo normalmente i due tipi di cariche sono in uguale quantità e mescolate in modo da annullarne i reciproci effetti. Per questo i corpi che rispettano queste condizioni sono elettricamente neutri.

La carica elettrica non si crea né si distrugge, ma si distribuisce da un corpo a un altro, così che in un corpo isolato, la somma delle cariche positive e negative si mantiene costante, secondo il principio di conservazione della carica.

Attrazione e repulsione di corpi elettricamente carichi

Il fisico tedesco Otto Von Guericke (1602 - 1686) scoprì che due corpi caricati elettricamente e posti a una data distanza, senza toccarsi, possono respingersi o attrarsi.

Due corpi con carica elettrica dello stesso segno (ambra-ambra o vetro-vetro) si respingono mentre quelli con carica opposta (ambra-vetro) si attraggono.

Metodi di elettrizzazione

Come detto sopra, in condizioni normali un corpo non manifesta alcuna proprietà elettrica, cioè è elettricamente neutro, ma può essere elettrizzato attraverso tre metodi:

• strofinio,
• contatto,
• induzione.

Strofinio

Lo strofinio di un corpo con un panno di lana è il metodo che già Talete aveva sperimentato.
Tale sfregamento rende positivo o negativo il corpo.
Se esaminiamo l'elettricità complessiva di due corpi con carica opposta, considerati insieme, questa risulta nulla e ciò significa che non è lo strofinio a creare l'elettricità, ma si tratta di un trasferimento di qualcosa da un corpo all'altro.
I metalli, rispetto alle altre sostanze hanno un comportamento diverso: si elettrizzano per strofinio solo se isolati, per esempio, con un supporto di legno.

Contatto

Se un corpo elettricamente carico è messo a contatto con un altro elettricamente neutro, quest'ultimo si elettrizza dello stesso segno, mentre il primo si scarica completamente o parzialmente.
Si tratta di un'elettrizzazione permanente.
Per i metalli vale lo stesso discorso fatto in precedenza.

Induzione

Lo scienziato inglese Stephen Gray (1666 - 1736) scoprì che si poteva elettrizzare un oggetto anche senza strofinarlo. Bastava avvicinarlo a uno elettricamente carico.
Ripetiamo l'esperimento fatto sopra, avvicinando un corpo elettricamente carico (induttore) a uno scarico (corpo indotto), ma senza toccarlo.
Il corpo scarico, nella parte vicina all'induttore si carica di segno opposto, mentre quella più lontana assume una carica dello stesso segno.
Se si allontana l'induttore, il corpo ritorna elettricamente neutro, cioè abbiamo un'elettrizzazione temporanea, a meno che non lo si divida prima di allontanare l'induttore. In questo caso si ottengono due corpi con carica di segno opposto.

Verifica dell'elettrizzazione

Per rilevare l'elettrizzazione di un corpo si possono usare diversi metodi.

Polvere di zolfo e minio

Un metodo molto semplice consiste nell'impiego di una miscela di polvere di zolfo, di colore giallo, e ossido di piombo (minio), di colore rosso.
Se si cosparge un corpo elettrizzato con questa miscela, si colora di giallo se è positivo e di rosso se è negativo.
Lo zolfo, infatti, è carico negativamente ed è attirato da un oggetto positivo, mentre il minio è carico positivamente ed è attratto da un corpo caricato negativamente.

Pendolino elettrico

Il pendolino elettrico è composto da una piccola palla di midollo di sambuco sospesa a un sottilissimo filo di seta.
Se alla pallina elettricamente neutra si avvicina una bacchetta elettricamente carica, nella pallina per induzione si ha la comparsa di cariche elettriche: quelle di segno opposto alla bacchetta si portano dalla parte di questa, mentre quelle di segno uguale si allontanano verso la direzione opposta.
Cariche di segno opposto si attraggono, perciò la pallina si avvicina alla bacchetta.
Quando la pallina tocca la bacchetta, per contatto alcune cariche della bacchetta si trasferiscono alla pallina, neutralizzando quelle di segno opposto.
Poiché ora abbiamo entrambi gli oggetti con cariche dello stesso segno, la pallina è respinta dalla bacchetta.

Elettroscopio

Lo scienziato inglese Stephen Gray per verificare la presenza di cariche elettriche si è servito dell'elettroscopio a foglia.

Si tratta di uno strumento costituito da un'asticella metallica alla cui estremità inferiore sono fissate due sottili foglie d'oro, di alluminio o di stagnola. Queste sono inserite in un involucro trasparente da cui sporge l'asticella con una sferetta metallica all'estremità superiore.
Se si tocca la sferetta con una bacchetta elettricamente carica, le foglie si elettrizzano per contatto assumendo cariche dello stesso segno della bacchetta.
Le due foglioline, avendo la medesima carica, si allontanano tra loro, divergendo tanto più quanto maggiore è la carica elettrica.

L'elettroscopio può solo indicare la presenza di cariche elettriche, mentre il segno non può essere rilevato con una sola esperienza; bisogna partire da un oggetto con carica di segno noto per caricare l'elettroscopio, poi si tocca la sfera con l'oggetto di cui si vuole conoscere la carica: se le foglie divergono ulteriormente, il segno è lo stesso del primo oggetto, mentre se diminuisce l'angolo il segno è opposto.
L'angolo di apertura delle foglie può servire a misurare la “quantità” di elettricità presente sulla sfera.

Interpretazione microscopica dell'elettrizzazione

Un atomo possiede elettroni con carica negativa che si muovono attorno ad un nucleo con protoni caricati positivamente.
Gli atomi di un corpo elettricamente neutro hanno un uguale numero di protoni e di elettroni.

L'elettrizzazione consiste nel rompere l'equilibrio tra protoni ed elettroni.
Gli elettroni possono essere spostati impiegando una piccola quantità di energia, così da rompere il legame attrattivo tra elettroni e nucleo, per questo l'elettrizzazione si ha mediante la cessione di elettroni (il corpo si carica positivamente), o acquisizione di elettroni (il corpo si carica negativamente).

Se un corpo di natura vitrea, elettricamente neutro, viene strofinato, l'energia meccanica (forza di attrito) viene assorbita da alcuni elettroni periferici, perciò si asportano delle cariche negative (elettroni, particelle libere di muoversi) che si trasferiscono nel panno, per cui si ha un eccesso di cariche di segno positivo e il corpo non è più elettricamente neutro. Il panno, invece, si carica negativamente.
Nel caso di corpi resinosi sono gli elettroni del panno a trasferirsi nel corpo, che viene ad avere così un eccesso di elettroni rispetto ai protoni, per cui si carica negativamente. Il panno, al contrario, ha un numero inferiore di elettroni rispetto ai protoni e si carica positivamente.
Il fatto che in un caso sia il panno a caricarsi negativamente e nell'altro la bacchetta dipende da quanto fortemente sono legati gli elettroni ai nuclei atomici secondo il tipo di corpo.

Per quanto riguarda l'elettrizzazione mediante contatto, una bacchetta caricata positivamente ha una carenza di elettroni rispetto ai protoni. Se viene a contatto con un corpo elettricamente neutro, parte degli elettroni di quest'ultimo si separano dai nuclei e si trasferiscono sulla bacchetta. Il corpo, trovandosi ora con una carenza di elettroni, risulta caricato positivamente.
Se invece abbiamo una bacchetta caricata negativamente, significa che ha un eccesso di elettroni. Se viene a contatto con un corpo neutro, parte dei suoi elettroni si trasferisce su questo, caricandolo negativamente.

L'induzione provoca uno spostamento delle cariche dentro un corpo neutro.
Quando si avvicina una bacchetta di vetro, elettrizzata positivamente, a un corpo neutro, gli elettroni si spostano dalla parte più vicina alla bacchetta caricandosi negativamente. La parte più lontana del corpo dalla bacchetta viene ad avere una carenza di elettroni rispetto ai protoni, perciò risulta caricata positivamente.
Se la bacchetta è di natura resinosa, come la ceralacca, quando è caricata elettricamente viene ad avere un eccesso di elettroni. Se viene avvicinata a un corpo neutro, gli elettroni della parte vicina alla bacchetta sono respinti lontano per cui si carica positivamente, mentre la parte opposta, trovandosi un'eccedenza di elettroni si carica negativamente.
L'elettricità statica prodotta mediante induzione tende ad annullarsi nel tempo. Gli elettroni, essendo liberi di muoversi, lentamente riequilibrano le cariche e il corpo ritorna elettricamente neutro.
Per mantenere permanentemente carico un corpo caricato per induzione, occorre adottare alcuni accorgimenti che impediscano il riequilibrio delle cariche, per esempio dividendo il corpo o allontanando le cariche di un solo segno.

I lampi, le piccole scosse, le scintille, ecc. sono la conseguenza dello spostamento di cariche elettriche da un corpo elettrizzato a uno elettricamente neutro.

Corpi conduttori e isolanti

Lo scienziato inglese Stephen Gray, attraverso una serie di esperimenti, scoprì che alcuni corpi trasportavano facilmente il “fluido elettrico”, mentre in altri rimaneva localizzato nel punto dove era stato generato. Viene così introdotto il concetto di conduttore e isolante.

Conduttori

I metalli, come abbiamo visto, si elettrizzano solo se isolati perché la carica elettrica, se posta in un punto si distribuisce rapidamente, a tutta la superficie e poi, attraverso altri oggetti (per es. il corpo umano), la perdono al suolo. Questo avviene perché hanno molti elettroni liberi, detti elettroni di conduzione, che possono facilmente muoversi da un atomo all'altro.
I migliori conduttori sono l'oro, il rame, l'argento, l'acciaio e una sostanza non metallica come la grafite.

Isolanti

I corpi come l'ambra e il vetro, che si caricano facilmente per strofinio, conservano a lungo l'elettrizzazione nel punto in cui sono stati strofinati perché le cariche elettriche si muovono lentamente. Tali corpi sono definiti isolanti o dielettrici. In essi ciascun atomo trattiene saldamente gli elettroni associati a esso e di conseguenza non sono liberi di allontanarsi dall'atomo. Inoltre sono impermeabili alle scariche elettriche, mentre non lo sono i metalli.
Se una bacchetta di ambra è un isolante, perché quando viene strofinata si carica negativamente? È l'energia fornita dallo strofinio che consente di allontanare gli elettroni dal panno. Poiché l'ambra è un isolante, l'eccesso di cariche negative rimane sulla parte di bacchetta che è stata a contatto con il panno e non può muoversi da punto a punto.
Le migliori sostanze isolanti sono la porcella, il vetro, il legno, le materie plastiche, la carta.

Modello di cavo conduttore in rame con guaina isolante in plastica

Il concetto di conduttore e isolante vale anche per i liquidi e i gas, secondo la presenza o meno di cariche libere di muoversi.

Esiste anche un'altra categoria: i semiconduttori, che hanno un comportamento intermedio tra i due precedenti. Vi appartengono, per esempio, il silicio e il germanio, che sono componenti molto importanti per l'industria elettronica.

La forza tra due cariche

Abbiamo visto che cariche elettriche di segno opposto si attraggono, mentre quelle di segno uguale si respingono. Questo implica che esiste una forza, attrattiva o repulsiva, che deriva solo dalla loro natura di cariche elettriche.

Il chimico inglese Joseph Priestley (1733 - 1804) aveva notato che la forza elettrica era simile alla forza gravitazionale di Newton, ma con una differenza: mentre la forza gravitazionale è solo attrattiva, la forza elettrica può essere attrattiva o repulsiva.

La legge di Coulomb

Per confermare sperimentalmente questa intuizione, lo scienziato francese Charles Augustin de Coulomb (1736 - 1806), nel 1785 utilizzò una bilancia a torsione.

L'apparecchiatura è costituita da una bacchetta isolante, sospesa orizzontalmente a un filo d'argento (o altro materiale) dotato di elasticità di torsione; a un'estremità della bacchetta è fissata una sfera (A) che può essere caricata per contatto; dalla parte opposta c'è un contrappeso per mantenere orizzontale una bacchetta.
Una sfera (B) uguale all'altra, dotata di manico isolante, mantenuta fissa, viene caricata elettricamente (q) e posta a contatto delle sfera (A).
Ora entrambe le sfere hanno uguale carica e segno q/2, perciò si respingono con una forza che dipende dalla loro distanza r.
La bacchetta continua a ruotare fino a quando il momento di torsione del filo è in equilibrio con la forza di repulsione tra le cariche.
Sulla scala graduata si legge l'angolo di rotazione della bacchetta, da cui si ricava una misura quantitativa della forza.

Da questa esperienza, variando la quantità di carica e la distanza, si ricava la Legge di Coulomb: due cariche puntiformi (q₁ e q₂) si attraggono o si respingono con una forza () che ha direzione lungo la loro congiungente; il modulo di tale forza è direttamente proporzionale al prodotto delle intensità delle cariche e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza tra i centri delle cariche (r).
Il verso della forza elettrostatica tra le due cariche è sempre contrario, indipendentemente dal loro segno.
Se le cariche sono di segno opposto, il loro prodotto è negativo e la forza è attrattiva, viceversa è repulsiva se il segno è uguale.

La costante dielettrica

k è una costante che dipende dalle unità usate per misurare le cariche e dal mezzo in cui si compie l'esperienza.
I mezzi diversi dal vuoto e dall'aria sono chiamati dielettrici.

Al posto della precedente, nel vuoto k viene espressa nella forma:

dove ε₀ è la costante dielettrica assoluta del vuoto ed è superiore a quella di qualsiasi altro mezzo.

Se tra le cariche c'è un dielettrico, si ha una nuova costante dielettrica ε dipendente dal mezzo.

Unità di misura

L'unità di misura della carica elettrica è il coulomb (C), così chiamata in onore dello scienziato francese.
Si tratta di un'unità di misura derivata dall'ampere (A), unità di misura dell'intensità della corrente elettrica ed è definita come la quantità di carica che fluisce attraverso la sezione di un conduttore in un secondo con un'intensità di corrente costante di 1 ampere (vedi alla pagina sull'elettrodinamica):

1 coulomb = 1 ampere · 1 secondo

Il coulomb è una carica assai grande per quanto concerne gli effetti.
Nell'elettricità corpuscolare si utilizza spesso un'unità molto più piccola, che si chiama carica elementare, che è la carica dell'elettrone:

e^- = -1,602·10^-19 C

Non è mai stata trovata una carica più piccola dell'elettrone e le cariche presenti sui corpi e che si spostano da un corpo all'altro sono multipli interi di 1,602·10^-19 C.

Distribuzione delle cariche elettriche

La legge di Coulomb vale in una situazione ideale, cioè con cariche puntiformi. Nella realtà le cariche elettriche hanno una distribuzione particolare per ogni tipo di corpo.

Nei conduttori, in condizioni di equilibrio, le cariche elettriche sono distribuite sulla superficie in modo continuo e all'interno la carica è nulla. Ciò è ben evidente nelle superfici sferiche.
Per questo è necessario introdurre il concetto di densità di carica.

Se la superficie è piana o uniformante curva, indicando con Q la carica elettrica, la densità superficiale elettrica media (σ) su una porzione infinitesima della superficie (S) di un conduttore è data dalla relazione:

Possiamo verificare la distribuzione su una sfera mediante l'esperienza di Cavendish*.
Si elettrizza la sfera S, posta su un supporto isolante; si avvolge completamente la sfera con due emisferi metallici cavi S₁ e S₂, dotati di manici isolanti; quando si staccano gli emisferi, la sfera rimane completamente scarica, mentre gli emisferi sono elettrizzati con la carica della sfera: ciò può essere verificato con un elettroscopio.

In un isolante elettrizzato le cariche elettriche non possono muoversi liberamente e quindi sono distribuite sia sulla superficie, sia all'interno, perciò la densità riguarda il volume secondo la relazione (V):

* Henry Cavendish (1731 - 1810), chimico e fisico inglese.

Potere disperdente delle punte

Se la superficie non è piana e non è uniformemente curva, le cariche elettriche si addensano maggiormente dove il raggio di curvatura è più piccolo.

In particolare, nelle punte e negli spigoli si hanno dei fenomeni definiti complessivamente potere disperdente delle punte.

Spesso si dice che le cariche sono così addensate da sfuggire facilmente, perciò i conduttori si scaricano molto rapidamente. Questa affermazione, in realtà non è corretta.
Supponiamo di avere un corpo appuntito caricato negativamente, immerso nell'aria. In prossimità della punta, quindi, la densità superficiale di carica è molto elevata.
L'aria, complessivamente neutra, contiene degli ioni: quelli positivi sono attratti dalle cariche negative della punta e vengono neutralizzati, scaricando rapidamente la punta; quelli negativi, avendo carica uguale alla punta, sono violentemente respinti. Questi, fortemente accelerati, urtano le molecole neutre dell'aria ionizzandola e, allontanandosi formano il cosiddetto vento elettrico.

Il potere disperdente delle punte spiega anche fenomeni quali i fuochi di Sant'Elmo e il fatto che i fulmini colpiscano più facilmente guglie, alberi o parafulmini.
Il primo a intuire che le nubi fossero elettricamente cariche è stato Benjamin Franklin, ideando (ma probabilmente non realizzando) la famosa esperienza con un aquilone dotato di punta metallica, per catturare i fulmini, che è alla base della costruzione del primo parafulmine (1752).
I parafulmini, infatti, sfruttano il potere delle punte per attirare la maggiore quantità possibile delle cariche libere, onde evitare danni alle strutture. Per questo sono disposti il più in alto possibile, per raccogliere le cariche prima che arrivino al terreno, scaricando l'elettricità accumulata nelle nubi e prevenendo la formazione di fulmini o scaricandoli a terra.
La nube, nella parte inferiore è caricata positivamente, perciò il suolo e l'asta metallica si elettrizzano di segno opposto per induzione. Gli elettroni si accumulano sulle punte del parafulmine e, grazie al potere disperdente delle punte, l'aria si ionizza offrendo minore resistenza rispetto a quella circostante, convogliando così più facilmente a terra la scarica.

Gabbia di Faraday

La gabbia di Farday* è costituita da una rete metallica isolata al suolo. Quando viene elettrizzata, le cariche si distribuiscono sulla superficie esterna, ma sono assenti all'interno. Essa funziona da schermo elettrostatico e per questo è impiegata per isolare alcuni strumenti.

*Michael Faraday (1791 - 1867), fisico e chimico britannico.

Campo elettrico

Si veda la pagina successiva.

Macchine elettrostatiche

Le macchine elettrostatiche sono strumenti in grado di produrre grandi quantità di cariche elettriche, sfruttando il principio di elettrizzazione per strofinio o induzione elettrostatica.

Il primo a costruire una macchina elettrostatica a strofinio è stato lo scienziato tedesco Otto von Guericke (1602 - 1686). Essa consisteva in una sfera di zolfo fuso che veniva fatta ruotare attorno a un'asta di ferro che la attraversava. L'elettrizzazione si otteneva strofinando la sfera con una foglia di palma essiccata, mentre questa ruotava.
L'elettrizzazione si manifestava con crepitio e luminescenza chiamati “fuoco elettrico” ed era in grado di attrarre oggetti leggeri.

A sinistra una piuma elettrizzata è portata in giro mediante il globo elettrizzato, mentre a destra il globo girevole di zolfo

Elettroforo di volta

L'elettroforo di Volta è una macchina elettrostatica ideata nel 1775 dal fisico italiano Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745 - 1827).

L'elettroforo è costituito da un piatto di resina isolante e da uno scudo metallico dotato di un manico isolante.
Strofinando la base con un panno, questa si carica negativamente. Quando si appoggia lo scudo metallico sulla base, per induzione questo si carica positivamente nella parte inferiore e negativamente sulla faccia superiore.
Quando si appoggia lo scudo, si pensa a un contatto completo. In realtà, la superficie di qualsiasi corpo è sempre rugosa perciò il contatto si ha solo in alcuni punti.
Toccando la faccia superiore dello scudo e poi allontanandolo dalla base, le cariche negative si scaricano a terra passando attraverso il nostro corpo e lo scudo rimane carico positivamente.
L'operazione può essere ripetuta più volte senza la necessità di caricare ogni volta la base e la carica positiva va sempre aumentando. L'energia necessaria ad accrescere la carica proviene dal lavoro compiuto per vincere le forze attrattive tra scudo e piatto, quando si separano.

Macchina di Van De Graaff

La macchina di Van De Graaff, costruita nel 1929 dal fisico statunitense Robert Jemison Van de Graaff (1901 - 1967), è un generatore a induzione elettrostatica formato da una sfera metallica cava S, due rulli cilindrici R₁ e R₂ (uno all'interno della sfera e l'altro alla base), mantenuti in rapido movimento dal motore M, un nastro N di materiale isolante che avvolge i rulli, due pettini metallici P₁ e P₂ (uno collegato al generatore e l'altro alla sfera) con i denti vicini al nastro, un generatore di cariche elettriche G, con un polo collegato a terra, che mantiene costante una differenza di potenziale tra il pettine e una placca metallica A collegata a terra e un supporto isolante che sostiene la sfera e i rulli.

Il pettine P₁ riceve le cariche elettriche, supponiamo positive, dal generatore.
Essendo vicino al nastro, quest'ultimo si polarizza perdendo le cariche negative superficiali, che sono scaricate a terra dalla placca A, diventando positivo.
Quando la parte del nastro elettrizzata arriva al rullo R₂, per induzione carica negativamente il vicino pettine P₂ e di conseguenza la sfera, che è la parte più lontana, si carica positivamente.
Gli elettroni accumulati nel pettine P₂, essendo numerosi, si trasferiscono sul nastro neutralizzando la sua carica positiva.
Il nastro, ora elettricamente neutro, scende e viene nuovamente caricato dal pettine P₁.
A ogni passaggio aumenta la carica sulla sfera metallica.

La conservazione delle cariche

Le cariche elettriche prodotte dalle macchine elettrostatiche devono poter essere conservate.

La bottiglia di Leyda

Il primo dispositivo per conservare le cariche elettriche è la bottiglia dei Leyda.

Il canonico e scienziato tedesco Ewald Jürgen von Kleist (1700 - 1748) e, indipendentemente il fisico olandese Pieter van Musschenbroeck di Leida, nel 1745 infilarono un chiodo nel collo di una bottiglia contenente acqua e con esso toccarono il conduttore di una macchina elettrica in funzione. Allontanata la bottiglia dalla macchina e toccato il chiodo, ricevettero una forte scossa.
L'anno successivo l'acqua della bottiglia era sostituita da un rivestimento interno ed esterno di foglie metalliche.

Schematicamente è costituita da un cilindro di vetro con le pareti esterne e interne rivestite da lamine d'argento, stagnola o piombo. La parte esterna è collegata a terra mentre quella interna, tramite un'asta con una sferetta, è collegata alla macchina elettrostatica.
Il vetro impedisce alle cariche elettriche di sfuggire.

Condensatori

Oggi al posto delle bottiglie di Leyda si usano i condensatori.

Un condensatore piano è costituito da due piastre di metallo parallele, chiamate armature, separate da uno strato di materiale isolante a distanza molto ravvicinata. Le due lastre di metallo vengono caricate con cariche uguali di segno opposto, oppure si carica una, mentre l'altra si carica di segno opposto per induzione.
Le cariche si attraggano a vicenda ma rimangano intrappolate all'interno del condensatore senza disperdersi.
Le cariche sono disposte sulla superficie, che acquista perciò un potenziale V, indice del lavoro speso per caricare il conduttore.
Nello spazio compreso tra le due armature si genera quindi un campo elettrostatico praticamente uniforme con direzione perpendicolare alle facce delle armature.
Il dielettrico interposto tra le armature ha il compito di aumentare la capacità del condensatore perché le cariche affacciate alle armature, avendo segno opposto a quelle delle armature stesse, ne diminuiscono il potenziale.

La differenza di potenziale tra le due armature dipende dalla carica Q che è depositata su di esse e si definisce capacità elettrica C del condensatore la costante di proporzionalità diretta tra la carica Q e la differenza di potenziale ΔV:

Q = C ΔV

La costante di proporzionalità C rappresenta il valore limite della carica accumulabile e dipende dalle caratteristiche del conduttore:

• ampiezza della superficie;
• forma del conduttore;
• tipo di dielettrico.

In particolare, in un condensatore piano la capacità C è direttamente proporzionale alla superficie S di affacciamento delle armature, è inversamente proporzionale allo spazio d tra di esse e dipende dalla costante dielettrica ε del mezzo:

Oltre al condensatore piano ne esistono di vari tipi, come quelli ceramici o quelli a carta, formati da due strisce metalliche, separate da carta paraffinata, avvolte a formare un cilindro da cui escono i terminali.

C: carta paraffinata; S: stagnola

Nel SI l'unità di misura della capacità elettrica è il farad (F): un conduttore ha la capacità di 1 farad se caricato con 1 coulomb di elettricità, assume il potenziale di 1 volt o il suo potenziale varia di 1 volt.

Collegamento dei condensatori

Due condensatori possono essere collegati tra loro in serie, cioè uno di seguito all'altro, oppure in parallelo.
In entrambi i casi, il sistema di condensatori è equivalente a un unico condensatore di capacità C.

Nel caso dei condensatori in serie, se si fornisce una carica +Q alla prima armatura del condensatore C₁, per induzione si ha -Q sulla seconda armatura, che è collegata alla prima armatura del condensatore C₂; questa viene ad avere un difetto di cariche negative, cioè diventa +Q e induce l'altra armatura a diventare -Q.
Poiché si ha solo uno spostamento di cariche per induzione, la carica complessiva rimane Q.

La differenza di potenziale di ciascun condensatore è data da:

|

La differenza di potenziale agli estremi (V₁ - V₂) è uguale alla somma delle differenze di potenziale ΔV₁ e ΔV₂ su ciascun condensatore e quindi:

Il sistema sarà allora equivalente a un unico condensatore con il reciproco della capacità equivalente alla somma dei reciproci delle capacità dei singoli condensatori:

Nel caso di collegamento in parallelo quello che è uguale nei due condensatori non è più la carica ma la differenza di potenziale. La carica complessiva Q è data dalla somma delle singole cariche Q₁ e Q₂:

Q₁ = C₁ ΔV | Q₂ = C₂ ΔV

Q = Q₁ + Q₂ = C₁ ΔV + C₂ ΔV = (C₁ + C₂) ΔV

Si vede che in questo caso il sistema è equivalente a un unico condensatore la cui capacità è uguale alla somma delle capacità dei singoli condensatori: