Carica elettrica – Scoperta, esperimenti e fenomeni quotidiani

In questo appunto vengono spiegati i fenomeni che riguardano le cariche elettriche ripercorrendo qualche evento della storia della fisica: si inizia con la descrizione della carica elettrica e del nucleo, si prosegue con la spiegazione dei fenomeni di ionizzazione ed elettrizzazione, e la descrizione di materiali isolanti e conduttori elettrici concludendo con una descrizione delle forze nucleari e molecolari.

La carica elettrica

Se proviamo a strofinare un oggetto di plastica con un panno di lana, l’oggetto acquista la proprietà di attirare corpi leggeri, come piccoli pezzetti di carta.

Questo fenomeno era già noto nell’antichità, poiché era stato osservato in una resina fossile detta ambra (tale sostanza aveva la proprietà di attirare a sé corpi leggeri quando veniva strofinata) e si pensò che la causa del fenomeno fosse un “fluido” invisibile. Il termine “elettricità” fu introdotto da William Gilbert e deriva proprio dal nome greco elektron che significa ambra.

La carica è una delle proprietà fondamentali della materia, come la massa anche se tutti i corpi hanno una massa, solo alcuni corpi hanno carica elettrica; tra le masse si instaurano solo forze attrattive mentre tra i corpi carichi elettricamente si possono instaurare anche forze di repulsione.
Un corpo che possiede cariche dei due tipi in uguale misura risulta elettricamente neutro. Un corpo neutro non manifesta forze elettriche in vicinanza di altri corpi neutri. Questo ci fa capire che in genere la materia è elettricamente neutra.

Un corpo che possiede carica elettrica si dice elettrizzato.
Un esempio di forza elettrica repulsiva si ha quando ci pettiniamo: al passaggio della spazzola tra i capelli si genera un’elettrizzazione che tende a separare i capelli gli uni dagli altri.
La preferenza di un corpo a caricarsi positivamente o negativamente dipende dal tipo di materiale, ad esempio il vetro tende a caricarsi positivamente mentre la plastica tende a caricarsi negativamente.

Forza elettrica

Il primo studio quantitativo della forza elettrica e delle sue proprietà fu eseguito da Charles de Coulomb il quale stabilì un metodo per la misura della quantità di carica elettrica attraverso l’utilizzo di una bilancia a torsione.
Coulomb emanò la legge di Coulomb che afferma che l’intensità della forza elettrica (F) che si esercita tra due corpi dotati di carica elettrica, è direttamente proporzionale al prodotto delle due cariche (Q1 e Q2) e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza (d).

Nel sistema internazionale l’unità di misura delle cariche elettriche è il Coloumb.
Il coulomb è la carica elettrica (simbolo Q) che, posta nel vuoto alla distanza di 1 m da una carica uguale, la respinge con la forza di

La costante di proporzionalità (costante dielettrica) dipende dalle unità di misura e dal tipo di materiale che si trova tra i due corpi; se i due corpi si trovano nel vuoto vale:

Possiamo utilizzare questo valore anche se il mezzo che si trova tra i due corpi è l’aria, se invece il mezzo è un liquido o un solido, il valore della costante si riduce e di conseguenza anche il valore dell’intensità della forza elettrica si riduce.

• La forza elettrica è negativa se si ha un’attrazione (cariche discordi)
• La forza elettrica è positiva se si ha una repulsione (cariche concordi)

Una valutazione diretta delle cariche è realizzabile solo in modo quantitativo con l’elettroscopio, uno strumento contenente due lamine leggere in grado di divergere quando vengono caricate elettricamente. L’elettroscopio permette di riconoscere solo se un corpo è elettrizzato ma non permette di conoscere il segno della carica dell’oggetto.

Elettroni e protoni

Con la realizzazione della pila elettrica, Alessandro Volta dimostrò che era possibile sfruttare una reazione chimica per produrre una corrente elettrica.
Altri scienziati dimostrarono che con l’elettrolisi si produceva il fenomeno opposto: si realizzava una reazione chimica attraverso una corrente elettrica.
La conferma che l’origine delle proprietà della materia si trovasse all’interno degli atomi si ebbe grazie a esperienze svolte con tubi di vetro, chiamati tubi catodici, contenenti gas a bassa pressione al cui interno venivano prodotte reazioni luminose, chiamati raggi catodici. Per indagare la natura elettrica, si inserirono due piastre metalliche dietro l’anodo, una caricata positivamente e l’altra negativamente: poiché i raggi si incurvavano verso la piastra positiva, queste particelle avevano carica negativa.
Grazie agli esperimenti con i tubi catodici, gli scienziati giunsero a definire le caratteristiche delle particelle che costituivano questi raggi, gli elettroni: carica elettrica negativa

, massa 1836 volte più piccola della massa dell’atomo dell’idrogeno

.
Utilizzando sempre i tubi catodici fu scoperta un’altra particella: il protone.
Infatti, furono individuate delle radiazioni che partivano dall’anodo e dopo aver attraversato il catodo, che era stato perforato, colpivano la parete opposta. Queste radiazioni furono chiamate raggi anodici. I protoni possiedono una carica elettrica positiva, dal valore uguale a quello degli elettroni e una massa 1836 volte maggiore di quella degli elettroni (

).
La scoperta degli elettroni e dei protoni aveva svelato l’esistenza di particelle subatomiche, cioè più piccole degli atomi (nel nucleo possiamo trovare particelle ancora più piccole chiamate subnucleari).
Per ulteriori approfondimenti sull’elettrochimica e l’elettrolisi vedi anche qua.

Radiazioni e nucleo atomico

. Queste radiazioni, se sottoposte all’azione di forze elettriche, si scindono in tre tipi:

• Radiazioni alfa (α): deviano verso la piastra negativa, perciò sono particelle elettricamente positive (contengono protoni).
• Radiazioni beta (β): deviano verso la piastra positiva, perciò sono particelle elettricamente negative (contengono elettroni).
• Radiazioni gamma (ϒ): non subiscono deviazioni, di conseguenza sono prive di carica (sono radiazioni simili alla luce).

fece alcuni esperimenti per osservare cosa poteva succedere quando i raggi alfa attraversavano alcuni materiali.
Rutherford aveva riscontrato che la maggior parte delle radiazioni passava indisturbata all’interno dell’atomo: alcune passavano nelle vicinanze del nucleo, subendo piccole deviazioni, ma solo pochissime colpivano proprio il nucleo e rimbalzavano all’indietro. Da questo fatto egli affermò che il nucleo atomico (piccola regione in cui si concentra quasi tutta la massa dell’atomo) era elettricamente positivo: solo così si poteva spiegare la repulsione elettrica che esercitava nei confronti delle radiazioni alfa.
Gli elettroni, si muovono ad altissima velocità in tutta la regione dell’atomo esterna al nucleo.
I protoni, per effetto delle forze elettriche, dovrebbero respingersi violentemente. Ma riescono a rimanere impacchettati nel nucleo per una forza di attrazione detta interazione nucleare. Essa ha un’intensità molto maggiore rispetto a quella della forza elettrica e sovrasta la repulsione elettrica tra i protoni.
Il terzo tipo di particelle che sono presenti nel nucleo sono i neutroni: carica elettrica nulla e massa circa uguale a quella del protone.
Il nucleo atomico è costituito da protoni e neutroni chiamati nucleoni, che determinano la massa degli atomi, gli elettroni non contribuiscono perchè hanno massa trascurabile.

Ionizzazione ed elettrizzazione

Ad un atomo posso essere aggiunti o tolti elettroni, può essere cioè ionizzato. In tal caso, l’atomo perde la sua neutralità elettrica e viene chiamato ione.

• Cationi: elettricamente positivi, hanno meno elettroni rispetto all’atomo neutro.
• Anioni: elettricamente negativi, hanno più elettroni rispetto all’atomo neutro.

Non è possibile ionizzare un atomo prelevando o aggiungendo protoni. Queste particelle sono confinate nel nucleo atomico dalle interazioni nucleari e non esistono reazioni chimiche o forze meccaniche in grado di modificare la struttura del nucleo.
Il fenomeno dell’elettrizzazione di un corpo si produce quando gli atomi che si trovano sulla superficie acquistano o cedono elettroni.
Analizziamo ora diversi modi di elettrizzazione:

• L’elettrizzazione per strofinio viene prodotta sui corpi inizialmente neutri i quali si caricano elettricamente a causa del trasferimento di cariche da un altro corpo, che si verifica durante lo strofinio.
• Elettrizzazione umana: in una giornata particolarmente secca, anche il nostro corpo può essere elettrizzato, come avviene durante un viaggio in auto a causa dello strofinio esercitato dal corpo contro il rivestimento del sedile. Una volta scesi dall’auto, se tocchiamo un oggetto metallico si verifica un trasferimento di cariche tra il nostro corpo e l’oggetto, che produce una piccola scossa.
• Elettrizzazione per contatto: un corpo può essere elettrizzato con altri metodi che richiedono la presenza di un altro corpo già carico. Il metodo più semplice consiste nel metterlo a contatto con un corpo carico.
  L’elettrizzazione per contatto viene prodotta dal contatto tra un corpo elettrizzato e uno elettricamente neutro, a causa di un passaggio di elettroni tra i due corpi.
  Nel momento in cui avviene il contatto, il corpo neutro si carica dello stesso segno di quello carico.
• Elettrizzazione per induzione: se avviciniamo ad alcuni pezzetti di carta una bacchetta di vetro elettrizzata positivamente o se avviciniamo agli stessi pezzetti di carta una bacchetta di plastica elettrizzata negativamente; in entrambi i casi il pezzetto di carta è elettricamente neutro. Nel primo caso tra carta e vetro si manifesta una forza attrattiva come se la carta fosse carica negativamente mentre nel secondo caso tra carta e plastica si manifesta una forza attrattiva come se la carta fosse carica positivamente.
  L’elettrizzazione per induzione viene prodotta avvicinando un corpo elettrizzato a un corpo non elettrizzato, ed è causata dalla separazione delle cariche elettriche all’interno del corpo neutro.

Nei tre metodi di elettrizzazione, le cariche elettriche non sono né prodotte né distrutte, ma solamente trasferite da un corpo ad un altro o separate all’interno di uno stesso corpo. La quantità totale di carica elettrica dei corpi coinvolti dai fenomeni di elettrizzazione rimane costante.
Legge di conservazione della carica elettrica: in un sistema isolato, la somma algebrica delle cariche elettriche rimane costante.

Materiali conduttori e isolanti

Gli elettroni liberi che possono essere facilmente trasferiti nei i corpi sono detti elettroni di conduzione: la loro presenza conferisce ai corpi metallici la proprietà di condurre l’elettricità, cioè di trasferire le cariche elettriche negative da un punto del corpo a un altro: i metalli presentano una grande quantità di elettroni di conduzione perciò sono buoni conduttori di elettricità.
Negli isolanti elettrici l’attrazione che il nucleo di ogni atomo esercita sui propri elettroni è molto maggiore di quella esercitata dalle cariche degli atomi circostanti perciò gli elettroni non possono allontanarsi dall’atomo cui appartengono. Tutte le sostanze solide non metalliche sono più o meno isolanti: esempi di isolanti elettrici sono le materie plastiche, la gomma, ecc...

Per ulteriori approfondimenti sui metalli vedi anche qua

Le forze nucleari: Adesione e coesione

Le molecole sono complessivamente neutre, eppure sono soggette a forze di attrazione e di repulsione: le forze molecolari. Queste forze variano da sostanza a sostanza, poiché dipendono dalla forma delle molecole e dalla disposizione delle cariche elettriche al loro interno. Le forze molecolari sono repulsive per distanze minori di quella di equilibrio e attrattive per distanze maggiori:

• Se agiscono tra molecole uguali sono dette forze di coesione;
• Se agiscono tra molecole diverse sono dette forze di adesione.

Le forze molecolari nei solidi: le molecole dei solidi sono legate insieme da intense forze di coesione, che riescono a prevalere sul moto di agitazione termica. Le distanze tra le molecole di un solido risultano uguali a quelle di equilibrio, perciò i corpi tendono a mantenere inalterati il loro volume e la loro forma.
Quando un corpo viene compresso, insorgono forze repulsive tra le sue molecole, la risultante di queste forze repulsive è la forze elastica, che tende a riportare il corpo alle dimensioni normali.
Quando il corpo è sottoposto a una trazione, si manifesta l’effetto contrario.

Le forze molecolari nei liquidi: nei liquidi le forze di coesione sono meno intense che nei solidi, le molecole dei liquidi possiedono pertanto una libertà maggiore che si manifesta con la grande adattabilità di queste sostanze alle forme dei recipienti che le contengono.

Nei liquidi si manifestano maggiormente le forze di adesione, grazie alla maggiore adattabilità delle loro molecole alle superfici con cui entrano in contatto.

La tensione superficiale emerge dal fatto che lo strato superficiale del liquido viene attratto verso l’interno e si comprime, diventando simile a una membrana elastica. Questa membrana è in grado di sostenere il peso di piccoli oggetti, con una forza che viene chiamata superficiale. La tensione superficiale deve sostenere il peso del liquido stesso, come avviene durante la formazione delle gocce, che cadono solo quando il loro peso prevale sulle forze molecolari.
Ogni molecola è attratta da tutte quelle che la circondano quindi le molecole che si trovano in superficie sono attratte solo lateralmente e verso il basso.
La tensione superficiale è responsabile anche del fenomeno della capillarità che consiste nella risalita dei liquidi all’interno di tubi molto sottili.