Fisica medica - Carica elettrica e campo elettrico

Carica elettrica e campo elettrico

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Elettrizzazione per strofinio

Era noto fin dal VII secolo a.C. che una barretta di ambra (elektron) strofinata con stoffa attira frammenti di foglie o polvere.

Tale proprietà si manifesta anche con altre sostanze: vetro, plastica, gomma, etc.

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A causa dello strofinio, i materiali acquistano una proprietà chiamata “elettricità statica” ed un corpo che ha acquisito questa proprietà si dice che ha una “carica elettrica”.

Esistono due tipi di elettricità: positiva (vetro strofinato) e negativa (ambra o plastica strofinata). Tale scelta arbitraria fu fatta da Franklin nel XVIII secolo. Questa convenzione è valida ancora oggi.

Due oggetti con lo stesso tipo di elettrizzazione (carica elettrica) si respingono, mentre essi si attraggono se hanno carica opposta.

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La materia ha due proprietà fondamentali: la massa (m) e la carica elettrica (q) che può essere (+), (−), (nulla).

Si osservi che gli oggetti non evidenziano forze elettrostatiche: si può ritenere che essi sono neutri, cioè composti da cariche (+) e cariche (−) in ugual numero.

Quindi, ogni volta che una certa quantità di carica è prodotta su un oggetto (es. per strofinio), un’eguale quantità di carica di segno opposto si produce su un altro corpo.

Cioè: in ogni processo di elettrizzazione, la somma delle cariche di un segno e quelle di segno opposto deve sempre essere zero.

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Principio di conservazione della carica elettrica

In tutti i fenomeni di natura elettrica, la quantità netta di carica elettrica di un sistema isolato resta costante.

Nel S.I., l’unità di misura della carica elettrica è il “Coulomb” (C).

Sperimentalmente si è trovato che la carica elettrica è una grandezza quantizzata. Cioè qualsiasi carica è costituita da multipli interi della carica elementare e = 1.6 · 10⁻¹⁹ C.

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Carica elettrica nell’atomo

La materia è costituita da atomi che hanno un nucleo centrale formato da “protoni” (carica positiva) e “neutroni” (senza carica). All’esterno del nucleo esistono gli “elettroni” (carica negativa).

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Ciascuna di queste particelle ha una massa.

Gli atomi sono neutri: essi contengono lo stesso numero di “protoni” e di “elettroni”.

Dimensione di un atomo: R_A = 10⁻¹⁰ m = 1 Å.

Dimensione del nucleo: R_N = 10⁻¹⁵ m = 10⁻⁵ Å.

R_A / R_N = 10⁵.

Cioè il volume di un atomo è essenzialmente vuoto!!

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Nello strofinio, un oggetto si elettrizza perché c’è un trasferimento di elettroni e si formano “ioni”: atomi che hanno acquistato o perduto uno o più elettroni.

In particolare, nello strofinio di una barretta di vetro mediante un panno, degli elettroni passano dal vetro (lasciando ioni positivi) al panno, su cui si formano ioni negativi.

Viceversa, nello strofinio di una barretta di plastica, degli elettroni passano dal panno alla barretta, con formazione di ioni (−) sulla plastica e ioni (+) sul panno.

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Conduttori ed isolanti

Nei materiali conduttori, gli elettroni periferici non sono legati agli atomi, ma sono “liberi” di muoversi nel mezzo come un gas (elettroni liberi o di conduzione). Es.: metalli.

Nei materiali isolanti anche gli elettroni periferici sono fortemente legati al nucleo. Es.: legno, ve