Appunti di Elettricità

Elettricità elettrostatica

I - Interazioni atomiche

• Forza all’interno degli atomi: attrattiva, gli elettroni che girano intorno al nucleo sono trattenuti da una forza centripeta (p e n sono invece connati nel nucleo da una forza nucleare forte a corto raggio, cioè non produce effetti lontano dal nucleo).
• Forza fra atomi: solidi e liquidi sono quasi incompressibili, gli atomi non possono essere avvicinati troppo: forza repulsiva.

Non si può trattare della forza gravitazionale, sempre attrattiva, ma deve essere una nuova forza che possa essere sia attrattiva, che repulsiva.

II - Carica elettrica

• Già gli antichi greci si accorsero che strofinando una bacchetta di ambra (elektron in greco) con un panno di lana, l’ambra poteva attrarre altri oggetti.
• Oggi diciamo che l’ambra si è caricata elettricamente o ha acquisito carica elettrica netta.
• Molti esperimenti indicano che ci sono due tipi di carica elettrica: positiva + e negativa -.
• Due cariche dello stesso segno si respingono.
• Due cariche di segno opposto si attraggono.
• Forza elettrostatica: per avere sia attrazione che repulsione occorrono cariche di due segni + e –.
  • Quelle di segno uguale si respingono.
  • Mentre quelle di segno opposto si attraggono.
• La materia ordinaria è neutra, contiene cioè tante cariche +ve quante –ve, e non esercita azioni elettrostatiche.
• Quando però ad un corpo si tolgono o si aggiungono cariche, le forze elettrostatiche si manifestano:
  • Strofinando con una pelliccia o panno di lana/seta una bacchetta di ambra, ebanite, zolfo, vetro, plexiglas, ceramica ... si può attirare una pallina leggera sospesa ad un filo ecc.
  • Togliendosi una camicia sintetica ci si sente ‘elettrici’ oppure elettricità dei capelli.

III - Isolanti e conduttori

Un modo di classificare le sostanze fa riferimento alla loro capacità di avere o meno movimento di carica al loro interno:

• Conduttori: le cariche possono muoversi relativamente libere, quando sono caricati in una certa zona, la carica si distribuisce a tutto il materiale (rame, alluminio, ... i metalli in genere).
• Isolanti: le cariche NON si muovono liberamente: si caricano per strofinio, solo nella zona strofinata (vetro, bachelite, materiali plastici …).
• Semiconduttori: materiali di proprietà intermedie, ci sono meno cariche libere che nel conduttore. Molto utili in elettronica (silicio, germanio, …).

IV - Carica per induzione

• Un conduttore neutro si carica per induzione:
  • Azione a distanza (non c’è contatto).
  • Un corpo carico attira uno scarico.
• Un isolante neutro si polarizza: si forma strato di carica superficiale.

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V - Legge di Coulomb: unità di misura della carica

• In linea di principio si potrebbe misurare la forza elettrostatica tra due cariche identiche poste ad una certa distanza per ricavare, tramite la legge di Coulomb, il valore della carica.
• Per ragioni legate all’accuratezza sperimentale nel SI si assume come grandezza fisica fondamentale la corrente elettrica, la cui unità di misura è l’ampere (A) che definiremo più avanti. Da questa si ricava l’unità di misura della carica elettrica: il coulomb (C).
• Un coulomb è la carica che, attraversando in un secondo una sezione ortogonale al suo flusso, produce una corrente di 1 A (1C = 1A × 1).
• Nei fenomeni elettrostatici sono di solito coinvolte quantità di carica ben inferiori al coulomb (ad es.: μC = 10^-6 C e 1nC = 10^-9 C).
• Il modulo della carica dell’elettrone, indicato solitamente come e vale: e = 1,60 × 10^-19 C.

VI - Principio di sovrapposizione

• La legge di Coulomb descrive l’interazione tra due cariche puntiformi.
• E se abbiamo più di 2 cariche puntiformi?
• La forza risultante su ogni carica è la somma vettoriale delle forze dovute a tutte le altre cariche (principio di sovrapposizione).
• La forza con cui due cariche interagiscono non viene alterata dalla presenza di altre cariche.

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VII - Campo elettrico

• La forza elettrostatica agisce nel vuoto senza bisogno di un supporto materiale.
• La carica Q+ modifica le proprietà dello spazio che la circonda.
• La carica 0 «sente» le modifiche nella posizione che occupa.
• Il campo elettrico è il mediatore tramite cui Q+ comunica la sua presenza.
• La forza elettrica che agisce su una carica è prodotta dal campo generato da tutte le altre cariche.
• Sperimentalmente per sapere se in un punto dello spazio c’è un campo elettrico, vi si pone una piccola carica q₀, detta carica di prova, e si verifica se risente di una forza.
• Si usa una piccola carica q₀ per non perturbare le cariche responsabili del campo. Definiamo il campo elettrico Ē in un punto come:

VIII - Campo elettrico di una carica puntiforme

• Poiché il vettore Ē cambia da punto a punto, abbiamo un insieme di infiniti vettori, uno per ogni punto dello spazio → campo vettoriale.

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IXV - Linee di forza

Ē più intenso Ē meno intenso

• Le linee di forza (o di campo) sono:
  • Tangenti in ogni punto al vettore campo elettrico.
  • Orientate col verso del campo elettrico.
  • In numero, per unità di superficie, proporzionale al modulo del campo elettrico.
• Proprietà linee di campo:
  • Sono infinite.
  • Non si in