La materia è fatta di particelle dotate di carica elettrica, che si attraggono o si respingono secondo la legge di Coulomb e generano nello spazio circostante un campo elettrico capace di esercitare forze a distanza.
Quando strofiniamo una bacchetta di plastica con un panno di lana, la bacchetta acquista la capacità di attirare piccoli pezzetti di carta: questo fenomeno, noto fin dall'antichità, rivela l'esistenza della carica elettrica. La carica è una proprietà fondamentale della materia, posseduta dalle particelle che costituiscono gli atomi, cioè protoni ed elettroni, mentre i neutroni risultano elettricamente neutri. Esistono in natura due tipi di carica, convenzionalmente chiamati positiva e negativa, e la materia ordinaria appare neutra perché contiene quantità uguali di entrambe. L'unità di misura della carica nel Sistema Internazionale è il coulomb (C), e la più piccola quantità isolabile è la carica elementare, che vale circa 1,6·10⁻¹⁹ C. Questa proprietà di assumere solo valori multipli interi della carica elementare prende il nome di quantizzazione della carica.
Conduttori, isolanti e legge di Coulomb
I materiali si comportano in modo molto diverso nei confronti del passaggio della carica elettrica e si dividono principalmente in conduttori e isolanti. Nei conduttori, come i metalli, alcuni elettroni sono liberi di muoversi attraverso il reticolo cristallino e permettono alla carica di redistribuirsi rapidamente sulla superficie del corpo. Negli isolanti, invece, gli elettroni restano fortemente legati ai rispettivi atomi e la carica acquisita per strofinio rimane localizzata nel punto in cui è stata depositata. Un principio fondamentale che governa ogni fenomeno elettrico è quello della conservazione: la carica totale di un sistema isolato non può essere né creata né distrutta, ma soltanto trasferita da un corpo all'altro. La forza che due cariche puntiformi q₁ e q₂, poste a distanza r, esercitano l'una sull'altra è descritta dalla legge di Coulomb, F = k · |q₁·q₂| / r², dove k è la costante di Coulomb pari a circa 8,99·10⁹ N·m²/C² nel vuoto. Questa forza agisce lungo la retta che congiunge le due cariche, è repulsiva quando le cariche hanno lo stesso segno ed è attrattiva quando hanno segno opposto, in perfetta analogia formale con la legge di gravitazione universale di Newton.
Il campo elettrico
Per descrivere l'azione a distanza tra le cariche, il fisico Michael Faraday introdusse il concetto di campo elettrico, ovvero una perturbazione che ogni carica produce nello spazio circostante e che è in grado di esercitare forze su altre cariche eventualmente presenti. Si definisce campo elettrico E in un punto dello spazio il rapporto tra la forza F che agisce su una piccola carica di prova q₀ posta in quel punto e il valore della carica stessa, cioè E = F / q₀. Il campo elettrico è una grandezza vettoriale, si misura in newton su coulomb (N/C) e per convenzione ha lo stesso verso della forza che subirebbe una carica di prova positiva collocata nel punto considerato. Il campo generato da una singola carica puntiforme Q a distanza r vale in modulo E = k · |Q| / r², ed è diretto radialmente verso l'esterno se Q è positiva, radialmente verso l'interno se Q è negativa. Quando sono presenti più cariche sorgenti, il campo risultante in un punto si calcola sommando vettorialmente i campi prodotti separatamente da ciascuna di esse, secondo il cosiddetto principio di sovrapposizione. Per visualizzare il campo si usano le linee di forza, curve orientate che escono dalle cariche positive ed entrano in quelle negative, la cui densità in una certa regione è proporzionale all'intensità del campo in quella regione.
Ricorda
- La carica elettrica è quantizzata, si conserva e si misura in coulomb; cariche dello stesso segno si respingono, cariche di segno opposto si attraggono secondo la legge F = k·|q₁·q₂|/r².
- Il campo elettrico E = F/q₀ è il vettore che descrive l'azione di una carica sorgente nello spazio circostante e si rappresenta con linee di forza uscenti dalle cariche positive ed entranti in quelle negative.
- Verifica attiva sul quaderno: due cariche puntiformi q₁ = +3 μC e q₂ = −2 μC sono poste a 20 cm di distanza nel vuoto. Calcola il modulo della forza che agisce tra loro, specifica se è attrattiva o repulsiva e determina il modulo del campo elettrico generato da q₁ nel punto in cui si trova q₂.