FISICA - CARICA ELETTRICA E LEGGE DI COULOMB
CARICA ELETTRICA
La carica elettrica è una grandezza fisica scalare che può essere positiva oppure negativa. La sua unità di misura è il coulomb (indicato con C). Due cariche dello stesso segno (tutte e due positive o tutte e due negative) si respingono, mentre due cariche di segno opposto (una positiva e l’altra negativa) si attraggono.
La carica elementare è detta e ed è uguale a $1,6*10^-19$ C. Tutte le particelle conosciute hanno una carica multiplo di quella elementare che è il reciproco della carica dell’elettrone (-e).
I corpi che si possono elettrizzare sono di natura diversa:
- isolanti: gli elettroni sono “bloccati”, non liberi di muoversi;
- conduttori: gli elettroni sono liberi di muoversi.
Un corpo, come visto, si può elettrizzare positivamente o negativamente. Nel primo caso significa che vi è stata una migrazione di elettroni verso un altro oggetto (vedremo in constant ringing ear
seguito di spiegare meglio nel caso dell’elettrizzazione per strofinio) e quindi i protoni (che hanno carica positiva) sono di più degli elettroni (che hanno carica negativa). Nel secondo caso invece vi è stata una migrazione di elettroni da un altro oggetto verso l’oggetto che si vuole elettrizzare: vi sono quindi più elettroni che protoni. Naturalmente è molto importante ricordare che gli elettroni sono le uniche molecole che si muovono e che un aumento di elettroni non significa che si sono creati dal nulla, bensì che sono migrati da un oggetto verso un altro. Vedremo di specificare il tutto in seguito.
I modi per elettrizzare un corpo sono tre:
- per strofinio: è forse il metodo più conosciuto. Un isolante (vetro, ambra, plastica) si può elettrizzare quando è strofinato su un pezzo di lana, ad esempio. Se vogliamo elettrizzare una bacchetta di plastica, “assisteremo” ad una migrazione di elettroni dalla lana alla plastica. Sulla plastica si avrà quindi un eccesso di elettroni e sarà quindi caricata negativamente. Se invece si elettrizza una bacchetta di vetro, si assisterà al fenomeno inverso: saranno gli elettroni del vetro a migrare verso la lana. Di conseguenza il vetro sarà caricato positivamente. E’ bene ricordare, per il principio di conservazione della carica elettrica, che la somma algebrica degli elettroni del sistema lana+plastica (oppure lana+vetro, come nel secondo caso) non cambia né prima dell’elettrizzazione né dopo.
- per contatto: un conduttore, opportunamente isolato e caricato, può caricare un altro conduttore se messo a contatto con esso. Quando i due corpi sono messi a contatto il secondo corpo, inizialmente neutro, si caricherà dello stesso segno di quello già precedentemente carico (se quello carico è caricato positivamente, quello inizialmente neutro si caricherà positivamente)
- per induzione: è una caratteristica tipica dei conduttori. Questo tipo di elettrizzazione avviene senza che vi sia alcun contatto tra isolante e il conduttore che si vuole caricare. Per spiegare il fenomeno dell’induzione è molto semplice ricorrere ad un esempio. Prendiamo una bacchetta di vetro che è stata precedentemente caricata per strofinio positivamente. La avviciniamo ad una sfera metallica (conduttrice) senza però toccarla. Osserviamo che la sfera sarà attratta dalla nostra bacchetta di vetro. Questo perché al suo interno gli elettroni, molto più vicini alla bacchetta rispetto ai protoni, sono stati tutti attratti verso la bacchetta (che è, lo ricordiamo, caricata positivamente). Da una parte della sfera avremo quindi un eccesso di elettroni (e sarà caricata quindi negativamente), l’altra metà avrà invece un eccesso di protone (e sarà caricata quindi positivamente). Globalmente però la sfera continuerà ad essere neutra.
Un fenomeno simile a quello dell’induzione è quello della polarizzazione che però interessa gli isolanti. L’esempio fatto precedentemente rimane comunque valido con l’eccezione che al posto della sfera avremo un isolante neutro, quindi un pezzo di carta. Quando una bacchetta di vetro (caricata positivamente) si avvicina ai pezzi di carta, avremo una riorganizzazione a livello molecolare degli elettroni e di conseguenza il pezzo di carta sarà attratto verso la bacchetta per lo stesso ragionamento fatto in precedenza. Ricorda però che: l’induzione riguarda i conduttori, mentre la polarizzazione riguarda gli isolanti.
Per capire se un corpo è carico, scarico, isolante o conduttore si fa riferimento a un particolare strumento detto elettroscopio. Questo strumento, molto semplice, è costituito da un pomello metallico con al di sotto un manico di ferro. Al di sotto del manico di ferro sono attaccate due sottili lamine (di oro o di alluminio) dette foglie. Le foglie sono allineate nel caso in cui l’elettroscopio sia scarico.
Per stabilire se un corpo è carico o scarico, appoggiamo il corpo al pomello dell’elettroscopio: se le foglie si divaricheranno allora il corpo è carico, se non lo è rimarranno allineate.
Una volta caricato l’elettroscopio possiamo stabilire se un corpo è un isolante o un conduttore. Nel caso in cui sia un isolante le foglie rimarranno sempre divaricate, se si tratta di un conduttore le foglie si chiuderanno.
LEGGE DI COULOMB
La legge di Coulomb esprime l'intensità della Forza attrattiva o repulsiva che si verifica tra due corpi posti a distanza R uno dall’altro. L'unità di misura è il newton (N)
Essa è stata individuata sperimentalmente dall’omonimo fisico ed è direttamente proporzionale al prodotto delle cariche, mentre è inversamente proporzionale al quadrato della distanza.
Il segno del risultato ci indica altresì se la forza è attrattiva o repulsiva: nel caso in cui il segno sia negativo (esempio: -3C) allora la forza è attrattiva: le due cariche prese in considerazione hanno segno opposto e quindi si attraggono. Nel caso del segno positivo (esempio: +3C) la forza sarà repulsiva: le due cariche prese in considerazione hanno lo stesso segno e quindi si respingono.
Questa legge dipende altresì da una costante di proporzionalità $k_0 = 9*10^9 (N+m^2)/C^2$.
$k_0$ è altresì uguale a $1/(4Pie_0)$.
dove e0 è la costante dielettrica nel vuoto ed è uguale a $8,85*10-12 C^2/(N+m^2)$.
La legge di Coulomb è quindi uguale, nel caso in cui le due cariche si trovino nel vuoto a:
$F0 = k_0*(Q_1*Q_2)/R^2$
Dove Q1 e Q2 sono i valori di carica delle particelle e R è la distanza tra le due.
Se però ci troviamo in un contesto diverso dal vuoto cambia la costante $e_0$ che si chiamerà $e_r$ ovvero costante dielettrica relativa uguale al rapporto tra la Forza di Coulomb nel vuoto e la Forza di Coulomb nella materia (materia in cui sono state poste le due cariche).
In maniera più generale si può introdurre la costante dielettrica assoluta e che è uguale al prodotto tra $e_0$ e $e_r$
$e = e_0 * er$ .
L’unità di misura rimane invariata.
e misura di quanto l’intensità di corrente è ridotta, rispetto al vuoto, dalla presenza del mezzo.
Per terminare occorre ricordare che la forza di Coulomb misurata nella materia è sempre inferiore a quella misurata nel vuoto a causa della polarizzazione dell’isolante.
La legge di Coulomb può quindi essere scritta nella maniera più generale possibile come segue:
$F = 1/(4Pie)*(Q_1*Q_2)/R^2$