Carica elettrica, i tipi di elettrizzazione e la legge di Coulomb

Ogni giorno, senza rendercene conto, assistiamo a numerosi fenomeni elettrici; questi accadono all’interno delle lampadine, dei televisori, dei telefoni ecc. ma, nonostante ciò non riusciamo a percepire in modo diretto il fenomeno in sé, siamo però in grado di notarne gli effetti: per esempio, non vediamo ciò che accade all’interno dei fili della corrente elettrica, ma vediamo la luce emessa dalla lampadina.
In natura non è possibile notare fenomeni elettrici, ad eccezione del fulmine; ma esistono oggetti che possono essere elettrizzati tramite un eccitamento esterno; i primi ad accorgersi di questa straordinaria facoltà dei materiali, furono gli antichi greci, i quali strofinarono l’ambra (una resina prodotta da alcuni alberi e induritasi con il tempo) con un panno di lana, così, essa acquistò la proprietà di attirare a se oggetti leggeri nelle immediate vicinanze.
La parola elettricità ( è il fenomeno di attrarre o respingere piccoli oggetti) deriva dal termine greco «elektron» che vuol dire, appunto, «ambra».
Ma, anche altre sostanze come il vetro, la plastica, l’ebanite ecc, possiedono la medesima proprietà dell’ambra, tutti questi materiali se strofinati acquistano la capacità di attirare o respingere piccoli oggetti, e, in tale condizione, questi materiali vengono definiti elettrizzati; quindi i corpi elettrizzati esercitano forze elettriche sui corpi elettrizzati e non elettrizzati.
Ma, se supponiamo di avere due oggetti dello stesso elemento, come, per esempio, due bacchette di vetro o d’ebanite; una bacchetta sospesa con un filo di nylon e l’altra bacchetta in una mano, noteremo che, strofinando con un panno di lana un’estremità libera della bacchetta che teniamo in mano, queste due saranno entrambe elettrizzate, ma, essendo entrambe costituite dallo stesso elemento si respingeranno.
Se, invece, supponiamo di stare lavorando con una bacchetta di vetro ed una bacchetta d’ebanite, noteremo che queste due bacchette si attrarranno, proprio perché di materiale diverso.
Possiamo quindi affermare che esistono due tipi di cariche, una carica positiva ed una carica negativa.
Per definizione la carica è l’atomo, cioè una particella infinitesimale che perde o acquista elettroni (se l’atomo perde elettroni si definisce una carica positiva, se, al contrario, l’atomo acquista elettroni si definisce una carica negativa).
Se strofiniamo un corpo, le cariche di questo si disporranno sulla superficie esterna del corpo stesso.
È possibile quindi affermare che: due corpi elettricamente carichi si respingono se carichi dello stesso tipo (o entrambi positivi o entrambi negativi), diversamente si attraggono se le cariche sono di tipo diverso.

Nel 1904, il fisico inglese John Joseph Thomson scoprì l’elettrone, una piccolissima particella carica negativamente, presente all’interno degli atomi (l’atomo è costituito dagli elettroni situati sulle orbite presenti intorno al nucleo, e, quindi se più liberi di muoversi, e, dal nucleo al cui interno vi sono i protoni, piccole particelle cariche positivamente e dai neutroni) che si trovano in ogni sostanza.
Ma, la presenza degli elettroni all’interno di un corpo neutro (quel corpo al cui interno sono presenti in uguale quantità elettroni e protoni), fece presupporre l’esistenza anche di cariche positive (protoni) in grado di controbilanciare le cariche negative (elettroni).
Infatti, la struttura della materia è costituita da atomi (particella infinitesimale), a loro volta costituiti da elettroni negativi e da un nucleo positivo.
Se, in un atomo la somma degli elettroni controbilancia esattamente quella del nucleo, l’atomo sarà definito un corpo elettricamente neutro, cioè quindi, che contiene un egual numero di cariche positive e cariche negative.
Un corpo si definisce carico, invece, quando contiene un eccesso di cariche dello stesso segno.
Se, supponiamo di strofinare tra loro due corpi neutri, si verificherà un trasferimento di carica da un corpo all’altro, che altera l’equilibrio elettrico iniziale, in tal modo un corpo acquisterà elettroni e si caricherà negativamente, al contrario, l’altro corpo si caricherà positivamente.

È necessario però osservare che i materiali, in seguito a vari esperimenti, sono stati classificati in conduttori e isolanti.
I conduttori sono quei corpi che permettono alle proprie cariche di propagarsi all’esterno del corpo stesso.
Gli isolanti sono quei corpi che non permettono alle proprie cariche di propagarsi all’esterno del corpo stesso.
Esistono anche materiali semiconduttori, che utilizzati maggiormente in ambiente industriale, possiedono caratteristiche sia dei corpi conduttori sia dei corpi isolanti.
Se, per esempio, prendiamo in considerazione una pallina sospesa con un filo di nylon e una bacchetta di metallo, tenendone un estremo in mano, noteremo che, strofinando l’estremo “libero” della bacchetta, questa non eserciterà alcuna forza elettrica sulla pallina, poiché è un corpo conduttore e le cariche che erano state trasferite sulla bacchetta per strofinio, dapprima si trasferiscono sulla mano, per poi disperdersi nel terreno.

Lo strumento utilizzato per verificare se, ed eventualmente quanto, un corpo è elettrizzato.
L’elettroscopio a foglie è uno strumento costituito da un’ampolla di vetro (perché se non vi fosse, le lamine d’oro che vi sono all’interno non potrebbero divaricarsi a causa della forza di gravità, forza peso), chiusa da un tappo isolante (perché se non vi fosse, le cariche si distribuirebbero per tutto il corpo), ed al cui interno è costituito da un’asta metallica sulla cui estremità superiore vi è una piccola sfera metallica, mentre la parte inferiore dell’asta termina con due lamine d’oro. Possiamo verificare quindi se un corpo è elettrizzato, per esempio, ponendo un corpo apparentemente carico vicino all’elettroscopio, in tal modo il corpo carico indurrà la sfera ad elettrizzarsi, ed essendo la sfera di metallo e quindi un conduttore, le cariche si diffonderanno per tutto il corpo sino ad arrivare alle lamine che essendosi elettrizzate di carica uguale si divaricheranno e possiamo verificare l’elettrizzazione del corpo (se elettrizziamo la sfera per induzione, noteremo che la sfera si elettrizzerà di carica opposta al corpo carico e le lamine si caricheranno di segno opposto alla sfera), se invece poniamo a contatto un corpo apparentemente carico con la sfera dello strumento noteremo che questa si elettrizzerà tramite le lamine che, per conduzione a loro volta si saranno elettrizzate entrambe della stessa carica e di conseguenza si divaricheranno (in questo caso il corpo portato ad elettrizzarsi sarà elettrizzato di carica opposta a quella del corpo carico analizzato).
Un altro metodo per elettrizzare un corpo neutro è porlo a contatto con un corpo carico.
Per esempio, se supponiamo di tenere sospesa una bacchetta di metallo elettricamente neutra, tramite un supporto isolante, e poi la mettiamo a contatto con un'altra bacchetta di metallo che impugniamo attraverso un manico isolante e che abbiamo precedentemente elettrizzata per strofinio, noteremo che: la bacchetta elettricamente neutra si elettrizzerà della stessa carica della bacchetta gia elettrizzata in precedenza (questo accade perché, se per esempio supponiamo di lavorare con un corpo carico positivamente, noteremo che, non appena questo sarà posto a contatto con il corpo elettricamente neutro, quest’ultimo si caricherà dello stesso segno del corpo già caricato in precedenza, poiché gli elettroni del corpo elettricamente neutro si sono trasferiti in quello carico positivamente, così i due corpi formano un sistema e la somma delle cariche sarà la stessa)

Un corpo carico può elettrizzare un corpo neutro per induzione; cioè basta avvicinare un corpo carico ad un corpo neutro perché questo si elettrizzi.
Supponiamo di avvicinare una bacchetta metallica elettricamente carica ad una pallina di metallo elettricamente neutra appesa ad un filo isolante, noteremo che la bacchetta se carica positivamente avvicinata alla sfera, indurrà le cariche interne alla pallina a dividersi in base al segno, in altre parole le cariche della pallina neutra si disporranno ai due poli del corpo, nell’estremità più vicina al corpo induttore si disporranno le cariche negative (in base alla carica del corpo induttore) e consequenzialmente nell’altra estremità le cariche positive.
Il corpo è ancora elettricamente neutro, ma la carica non è più distribuita uniformemente, ma è concentrata in due zone distinte.
Tale fenomeno è noto come induzione elettrostatica.

La carica elettrica è un atomo, cioè la particella infinitesimale di un corpo, che perde o acquista elettroni, questo comporta il cosiddetto disequilibrio elettrico.
La carica elettrica si dice positiva se l’atomo perde elettroni.
La carica elettrica si dice negativa se l’atomo acquista elettroni.

La legge sperimentale di conservazione della carica elettrica afferma che: la somma algebrica delle cariche elettriche di un sistema chiuso (i corpi a contatto) si mantiene costante, qualunque siano i fenomeni che in esso si manifestano.
Tale legge è dimostrabile tramite vari esperimenti; se elettrizziamo un corpo per strofinio, per induzione o per contatto noteremo che la carica totale rimane sempre costante (l’elettrizzazione di un corpo è dovuta non alla creazione di carica ma al trasferimento delle cariche stesse, dal corpo carico al corpo neutro).
La legge di Coulomb afferma che, la forza elettrica (attrattiva o repulsiva) che si esercita tra due corpi (puntiformi) elettrizzati è direttamente proporzionale al prodotto delle quantità di elettricità possedute dai due corpi e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza.

L’elettroforo di volta fu ideato da Alessandro Volta, dal quale appunto prese il nome.
L’elettroforo è uno strumento elettrostatico che permette di creare cariche, è costituito da una piastra la cui superficie è ruvida (questo permette l’attrito e quindi lo strofinio) e un piattello metallico sostenuto da un manico isolante; per creare le cariche basta strofinare il piattello con la superficie della piastra, così la piastra si sarà caricata per strofinio.

Un conduttore elettricamente carico può esercitare le forze elettriche anche su un isolante neutro, causando in esso la polarizzazione delle cariche, in altre parole all’interno dei corpi isolanti vi è una forza nucleare maggiore che nei corpi conduttori perciò gli elettroni sono più legati al nucleo degli atomi, pertanto le cariche interne agli isolanti si ridistribuiscono in maniera ordinata ed allineata ( si suddividono come a formare due schiere, una di elettroni ed una di protoni, sempre legati gli uni con gli altri, ma distribuiti in maniera ordinata).