Differenze e analogie tra forza gravitazionale ed elettrica

La forza gravitazionale

La forza gravitazionale deriva dall'attrazione tra le masse dei corpi; è una forza molto debole e genera effetti rilevanti solo quando almeno una delle masse è molto grande, come quella di un pianeta o una stella. Essa risulta direttamente proporzionale alla massa di ciascun corpo e inversamente proporzionale alla distanza tra i loro centri.
La forza elettrica (già conosciuta presso i Greci, strofinando pezzi di ambra, chiamata èlectron) si manifesta nella capacità di alcuni corpi di attrarsi o respingersi quando sono stati strofinati; essa è dovuta a una proprietà della materia che si chiama carica elettrica, definendo gli oggetti elettrizzati elettricamente carichi e neutri quelli che non hanno carica elettrica.

Tipi di materiali

Si possono suddividere i materiali in tre categorie: i conduttori elettrici, nei quali la carica è in grado di muoversi all'interno del materiale; gli isolanti elettrici, nei quali la carica elettrica non si può muovere all'interno del materiale; i semiconduttori che hanno caratteristiche intermedie.

Alcuni conduttori sono i metalli e il corpo umani; il vetro, la plastica, la gomma, il legno e la porcellana sono isolanti. La carica elettrica può essere sia attrattiva che repulsiva. Uno strumento utilizzato per controllare se un oggetto è elettricamente carico è l'elettroscopio. Ci sono due tipi di carica elettrica, positiva e negativa. I corpi con carica dello stesso segno si respingono, quelli con carica di tipo diverso si attraggono.

Carica elettrica e atomi

Ogni atomo è costituito da un nucleo composto da neutroni (particelle neutre) e protoni (carichi positivamente) attorno al quale ruotano gli elettroni, la cui carica è uguale, ma di segno opposto a quella del protone. Poiché il numero dei protoni di un atomo è uguale a quello degli elettroni, gli atomi e di conseguenza i corpi, sono normalmente neutri.
Mentre protoni e neutroni sono fortemente uniti, gli elettroni possono essere sottratti all'influenza del nucleo e trasferiti da un materiale a un altro. La carica di un corpo è quindi positiva se esso perde elettroni e negativa se ne acquista.

Nei materiali isolanti la carica elettrica non è libera di muoversi, perché tutti gli elettroni di ogni atomo sono legati al proprio nucleo; invece nei conduttori la carica elettrica può muoversi liberamente, perché gli atomi perdono alcuni elettroni, che possono spostarsi liberamente all'interno del materiale (elettroni di conduzione).

Induzione elettrostatica

L'induzione elettrostatica è quel fenomeno per cui, avvicinando un oggetto carico a un conduttore neutro, avviene all'interno del conduttore una ridistribuzione di cariche. E' possibile inoltre elettrizzare i corpi in tre modi: per strofinio, per contatto, per induzione.
La forza che agisce tra due corpi carichi è espressa da una legge del tutto simile a quella di gravitazione universale, ma di intensità molto maggiore, la legge di Coulomb.

Le forze si misurano in Newton. Se i corpi sono distanti questa forza diminuisce. F e d sono inversamente proporzionali: all'aumentare della distanza diminuisce la forza.

Conservazione della carica

Il principio di conservazione della carica elettrica afferma che la quantità totale di carica di un sistema isolato rimane costante, qualunque siano i fenomeni che hanno luogo nel sistema. La forza gravitazionale e quella elettrica presentano notevoli analogie: agiscono a distanza, sono inversamente proporzionali al quadrato della distanza, sono forse "universali". E alcune differenze: la forza gravitazionale è sempre attrattiva, quella elettrica è attrattiva o repulsiva; la forza gravitazionale non dipende dal mezzo in cui sono posti i corpi, quella elettrica sì; la forza elettrica è assai più intensa della forza gravitazionale.

Campo elettrico

Il campo si indica con E ed è una grandezza vettoriale che ha una sorgente e un'intensità variabile. Indica una zona in cui avviene un'interazione (se ho una carica e ne avvicino un'altra, questa può essere attratta o respinta), è prodotto da una sorgente (carica di prova) e il suo valore cambia all'interno della zona di interazione, ed è tanto più grande quanto più si è vicini alla sorgente. Per poter definire un campo dal punto di vista fisico deve essere possibile assegnare un valore numerico alla sua intensità.