Le Cariche elettriche

Di Micaela Bonito.

Dalle azioni delle cariche elettriche alla legge di Coulomb, Conduttori e isolanti: cosa sono e a cosa servono. Spiegazione dettagliate di questi argomenti

Elettrostatica

Argomenti trattati:
Cariche elettriche e mutue azioni - La legge di Coulomb - Conduttori e isolanti

Cariche elettriche e mutue azioni

Già nel V secolo si era notato che se si strofina l’ambra con un panno di lana, l’ambra attrae trucioli di sambuco.
Quando un corpo acquista questa proprietà si dice che si elettrizza e alla grandezza fisica che interviene si dà il nome di carica elettrica.
Strofinando con panni di lana bacchette di ebanite e bacchette di vetro si nota che bacchette dello stesso materiale si respingono mentre bacchette di materiali diversi si attraggono: questa osservazione si dice che esistono due diversi stati elettrici: quello dell’ebanite, detto negativo, e quello del vetro, detto positivo. Cariche elettriche di segno diverso si attraggono, cariche elettriche dello stesso segno si respingono.

L’unità di misura della carica elettrica è il Coulomb (C). Un Coulomb è la carica elettrica che posta nel vuoto alla distanza di un metro da una carica identica, la respinge con una forza di

La legge di Coulomb

Vi sono altri fattori, oltre la carica elettrica, che influenzano l’attrazione o repulsione tra coppie di oggetti elettrizzati: la mutua distanza (quanto più due oggetti sono lontani tanto meno sarà la forza che si esercita tra di loro), il mezzo interposto tra di essi (vi sono mezzi, detti isolanti che attenuano le interazioni). Verso la fine dell’800, il fisico francese Coulomb, servendosi di uno strumento detto bilancia di torsione, eseguì misure sulla forza agente tra cariche elettriche.
Tale strumento è costituito da un filo f dotato di una certa elasticità di torsione (cioè se torto manifesta una forza di richiamo verso la configurazione a riposo) cui è attaccata una sferetta metallica carica S: avvicinando a questa una sferetta R carica nello stesso modo, le due si respingono e in seguito a questa repulsione la sferetta S torce il filo finché la reazione elastica di torsione

non fa equilibrio alla forza

con la quale le due cariche si respingono.

Tarando opportunamente lo strumento, si riesce a stabilire la legge di Coulomb:
due cariche elettriche puntiformi (cioè di dimensioni trascurabili rispetto alla loro distanza) si attraggono o si respingono con una forza diretta secondo la loro congiungente; il modulo di tale forza è direttamente proporzionale al prodotto delle cariche e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza, essendo la costante di proporzionalità dipendente dal mezzo tra esse interposto:

Nel vuoto

In generale

dove e è la costante dielettrica del mezzo interposto:
poiché la costante dielettrica è sempre maggiore della costante dielettrica nel vuoto, si ha che la massima interazione tra cariche elettriche si ha nel vuoto.
Le forze coulombiane hanno una grande importanza in natura: ad esse sono dovute la stabilità della materia, la compattezza e la resistenza dei materiali. La gran parte delle forze fenomenologiche già incontrate nello studio della fisica (forze elastiche, forze di attrito) sono microscopicamente forze di natura coulombiana.

Conduttori e isolanti

Perché un corpo strofinato è in grado di esercitare azioni repulsive o attrattive? Cosa avviene a livello microscopico?
Nella materia, a livello subatomico, esistono particelle dotate di carica elettrica (protoni e elettroni):
il modello più semplice di atomo, quello cosiddetto planetario, prevede che al centro dell’atomo vi sia un nucleo formato da protoni, aventi carica positiva, e neutroni, cioè particelle elettricamente neutre.

Questi “nucleoni” sono tenuti insieme da forze attrattive nucleari molto più intense delle forze elettriche, che impediscono ai protoni di separarsi.
Attorno al nucleo “ruotano”, come i pianeti attorno al sole, gli elettroni, particelle elettriche che si dispongono su diversi strati.

Ogni elemento chimico è elettricamente neutro e ha un diverso numero atomico, cioè un diverso numero di elettroni (pari al numero di protoni). Questo fa sì che diversi elementi si leghino ad altri in modo diverso secondo le loro proprietà chimiche.

I materiali si distinguono in conduttori, sostanze nelle quali vi sono elettroni liberi, cioè elettroni dotati di una notevole mobilità, e isolanti elettrici (o dielettrici), sostanze nelle quali non vi sono elettroni liberi.