Fisica II - appunti del corso - capitolo 1

Azioni elettriche

Fenomenologia

La maggior parte delle forze che si manifestano nelle interazioni fra oggetti macroscopici è riconducibile a forze di contatto o a forze per azione a distanza. Semplici osservazioni sperimentali mostrano che fra oggetti macroscopici opportunamente trattati si esercita una forma di azioni a distanza dette azioni elettriche.

Possiamo riassumere il fenomeno nel modo seguente:

• Due oggetti della medesima sostanza dopo essere stati strofinati con un panno, se posti l'uno vicino all'altro si respingono;
• Ponendo due oggetti di sostanze diverse, dopo averli strofinati, l'uno vicino all'altro, si riscontra ancora l'esistenza di forze di mutua interazione; tali forze possono essere, a seconda dei casi, repulsive o attrattive.

Queste forze di natura elettrica soddisfano il terzo principio della dinamica (principio di azione e reazione). Tutto ciò porta a concludere che in natura esistono, come si usa dire, due tipi di cariche elettriche.

Convenzionalmente si dice che corpi come il vetro, per strofinio con lana, acquistano carica elettrica positiva (o vetrosa). Corpi come l'ambra o le materie plastiche o le resine, per strofinio acquistano carica elettrica negativa (o resinosa). Con queste convenzioni sui segni delle cariche elettriche, possiamo dire che:

• Cariche elettriche dello stesso segno si respingono;
• Cariche elettriche di segno opposto si attraggono.

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Pendolo elettrostatico

Due sferette conduttrici uguali, di massa m e carica q, sono sospese ciascuna ad un filo di lunghezza L; in equilibrio i fili sono disposti simmetricamente rispetto alla verticale, ciascuno ad un angolo θ. Vogliamo calcolare la relazione esistente tra q e r.

Ciascuna sferetta è soggetta alla forza elettrostatica F esercitata dall’altra e alla forza gravitazionale mg; inoltre la distanza tra le cariche, i cui moduli sono rispettivamente ⁴πε₀ è in equilibrio:

x = 2L sin θ

All’equilibrio, la tangente dell’angolo formato da ciascuna carica è:

tan θ = ½ q/⁴πε₀ • 2L sin θ / mg

In cui si vede che la relazione tra q e θ non è lineare.

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Interpretazione microscopica

La materia che ci circonda è formata a partire da tre soli costituenti fondamentali: protone p, neutrone n ed elettrone e. Secondo la convenzione sul segno della carica elettrica, il protone ha carica elettrica positiva e l’elettrone carica elettrica negativa (fra di loro uguali in valore assoluto); il neutrone è privo di carica elettrica.

Protoni e neutroni si legano fra di loro a formare il nucleo degli atomi; la carica del nucleo è quindi positiva. Intorno al nucleo, attratti da forze di tipo elettrico, orbitano elettroni, in numero pari al numero di protoni nel nucleo. L’atomo appare, nel suo complesso, elettricamente neutro.

La neutralità elettrica dell’atomo rappresenta una manifestazione di una legge di carattere generale: un sistema costituito da più cariche manifesta una carica elettrica complessiva pari alla somma algebrica delle cariche costituenti. Lo strofinio fra due corpi può produrre il passaggio di un certo numero di elettroni da un corpo a un altro.