Cariche e campi elettrici

Le cariche elettriche

Le cariche elettriche sono le sorgenti delle forze e dei campi elettrici e ne esistono due tipi :cariche positive (dovuta a un eccesso di elettricità )e cariche negative(dovuta a una carenza di elettricità ).Cariche dello stesso segno si respingono mentre cariche di segno opposto si attraggono. I corpi che sono in grado di trasferire elettricità ad altri corpi sono detti conduttori.(es.metalli) I materiali che non permettono questo passaggio sono detto isolanti.

Un corpo è elettrizzato quando acquisisce una carica elettrica (positiva o negativa ).Si può caricare elettricamente un corpo mediante strofinio o ponendolo a contatto con un corpo elettricamente carico,o ancora per induzione elettrostatica:consiste in una redistribuzione delle cariche già presenti sul corpo,causata dalla presenza di un altro corpo carico.Es.(se poniamo due sbarre metalliche scariche a contatto tra loro collegando le estremità a due elettroscopi e avvicinando una bacchetta di vetro elettrizzata a uno dei due elettroscopi,noteremo che le foglioline degli elettroscopi rimarranno separate anche quando si separano le sbarre e si allontana la bacchetta,poiché la bacchetta di vetro carica positivamente ha provocato la redistribuzione delle cariche già presenti sulle sbarre.
L’atomo è formato da un nucleo di particelle cariche + (protoni)e da particelle neutre (neutroni) e intorno al nucleo ruotano gli elettroni con carica - .

Secondo la legge di conservazione della carica elettrica:la carica totale,ovvero la somma algebrica delle cariche + e - ,rimane invariata. La carica è quantizzata quando può assumere solo valori multipli di una quantità elementare. Si può verificare se un corpo è elettrizzato attraverso l’elettroscopio a foglie costituito da un pallone di vetro con un tappo di chiusura in plastica,nel quale è fissato il supporto delle foglioline di metallo laminato,che termina con un disco metallico esterno,la bacchetta carica + a contatto con l’asticciola attrae elettroni,l’asticciola e le lamine si caricano positivamente e si respingono.

La legge di Coulomb. fu il fisico francese Coulomb a formulare la legge fondamentale dell’elettrostatica. Realizzò la bilancia di torsione, uno strumento che permette di misurare la forza che si esercita tra due sfere elettricamente cariche e conduttrici. Quando il sistema è in equilibrio, la forza elettrica equilibra la forza elastica dovuta alla torsione del filo, quindi misurando la forza elastica si può determinare il valore della forza di repulsione elettrostatica. Utilizzando poi delle piccole sfere cariche, Coulomb ottenne la sua legge: il modulo della forza di attrazione o repulsione elettrostatica tra due corpi carichi elettricamente è direttamente proporzionale al prodotto delle cariche dei due corpi e inversamente proporzionale al valore della loro distanza.La direzione della forza è quella congiungente i centri dei due corpi, il verso è determinato dal segno delle cariche, la forza è repulsiva quando le due cariche hanno lo stesso segno, attrattiva quando hanno segni opposti. La costante k dipende dal mezzo materiale in cui sono collocate le cariche e nel vuoto prende il nome di costante elettrica del vuoto.

La forza elettrica e quella gravitazionale hanno diverse analogie e differenze: entrambe agiscono a distanza tra corpi ben definiti, entrambe decrescono con il quadrato della distanza, se la distanza raddoppia la forza diventa un quarto, in entrambi i casi la forza agisce lungo la linea congiungente i due corpi, nel caso di cariche elettriche di senso opposto le due forze hanno in comune il verso della forza.
Differenze: La forza gravitazionale si esercita fra tutti i corpi e dipende dalla loro massa e distanza, mentre la forza elettrica si esercita solo fra corpi carichi elettricamente, la forza gravitazionale è sempre attrattiva mentre quella elettrica può essere sia attrattiva che repulsiva, la forza elettrica risente del mezzo in cui sono collocate le cariche, mentre quella gravitazionale rimane invariata, la forza gravitazionale è più debole di quella elettrica.
Il campo elettrico : in alternativa al concetto di azione a distanza di Newton, nel corso dell’Ottocento si sviluppò il concetto di campo. Secondo la teoria del campo, la Terra crea un campo gravitazionale intorno a essa perchè qualsiasi corpo è soggetto in ogni punto a una forza diretta verso il centro della Terra. Il campo gravitazionale terrestre è quindi il rapporto tra la forza che agisce su un corpo di massa e la massa stessa. Il campo gravitazionale però non dipende dalla massa del corpo ma solo dalla massa e dal raggio della Terra, che rappresenta la sorgente del campo. Le cariche elettriche non esercitano forze sulle altre cariche, ma modificano lo spazio rendendolo sede di forze elettriche in grado di agire su altre cariche. Con la legge di Coulomb possiamo anche definire il vettore del campo elettrico in un punto che è uguale al rapporto tra la forza elettrica che agisce su una carica di prova positiva, posta nel punto e la carica di prova stessa. Il campo elettrico misurato in un punto dello spazio però non dipende dalla carica di prova posta in quel punto. Con la definizione di campo elettrico e con la legge di Coulomb, si può determinare l’intensità del campo elettrico generato da una carica puntiforme in un punto nel vuoto, in cui si pone una carica di prova; verifichiamo quindi che il campo dipende solo dalla carica sorgente e dalla posizione in cui eseguiamo la misura.Prendiamo poi in considerazione il caso in cui la carica di prova sia posta in una zona dello spazio nella quale agiscono più campi elettrici, generati da diverse cariche ; il campo elettrico si determina in base al principio di sovrapposizione per il quale gli effetti dovuti alle tre cariche si addizionano, esso sarà quindi uguale alla somma vettoriale dei vettori campo elettrico creati dalle cariche.
Una linea di campo è una linea orientata le cui rette tangenti in ogni suo punto indicano la direzione del vettore campo elettrico.Le linee del campo elettrico generato da una carica positiva sono dirette verso l’esterno.Le linee del campo elettrico generato da una carica negativa sono dirette verso la carica.Le linee del campo magnetico generato da due cariche di segno opposto generano un sistema dipolo elettrico.Le linee del campo elettrico generato da due cariche di uguale valore e segno sono cariche in equilibrio.Un caso particolare di campo elettrico è quello generato da due lastre parallele ,caricate luna positivamente ,altra negativamente.Se la distanza tra le due lastre è molto minore rispetto alla superficie si genera un campo elettrico uniforme .Un’energia potenziale gravitazionale è definibile con Ug=mgh.La differenza di potenziale tra due punti a e b, è definita come il rapporto tra il lavoro che le forze del campo compiono per spostare la carica q dal punto A al punto B.L’unità di misura è il volt.

Gabbia di Faraday I conduttori hanno effetto schermante ,ovvero il campo elettrico al suo interno è nullo poiché le cariche sulla superficie si ridistribuiscono per induzione . Queste gabbie metalliche che proteggono dai disturbi elettrici esterni son dette gabbie di Faraday .Se poniamo un conduttore in un campo elettrico esterno ,le cariche sulla superficie del conduttore si spostano per induzione elettrostatica e generano un altro campo elettrico che annulla al’interno del conduttori,gli effetti del campo esterno.