Elettrostatica fisica 2

Elettromagnetismo

Carica elettrica

La carica elettrica è una proprietà della materia che genera forze di interazione. Notiamo che nell'universo i fisici sono riusciti a ridurre a quattro le singole forze fondamentali:

• Gravitazionale
• Elettromagnetica
• Nucleare forte
• Nucleare debole

A differenza della forza gravitazionale, la forza elettromagnetica, a seconda delle condizioni, può generare delle forze repulsive o attrattive; infatti, notiamo che esistono due tipi di carica:

• Positiva
• Negativa

Se le cariche sono uguali, allora si genererà una forza di tipo repulsiva, altrimenti sarà una forza attrattiva. Come nella forza gravitazionale, anche la forza elettromagnetica può generare dei campi di forza.

Particelle elementari

Nell'atomo abbiamo tre tipi di particelle elementari:

• Protone (carico positivamente)
• Elettrone (carico negativamente)
• Neutrone (carica neutra)

È importantissimo tenere in considerazione il comportamento dell'atomo; infatti, notiamo immediatamente che la carica di un elettrone è esattamente opposta alla carica di un protone. Questo implica che la carica totale di un singolo atomo è neutra.

Vediamo inoltre che non esiste più carica più piccola di quella della particella subatomica, dato che tutta la materia è composta da atomi. Implica quindi che la carica è quantizzata, ovvero tutte le cariche possono essere solo multiple della carica degli elettroni.

La carica del singolo elettrone è pari a -1.6 × 10^-19 C. Questo dato è stato per la prima volta misurato da Millikan tramite il famigerato esperimento dell'olio caricato.

Materiali conduttori e non conduttori

Per identificare un materiale conduttore o meno, la definizione che si è soliti usare è la seguente:

• Conduttore: le cariche sono libere di muoversi all'interno del materiale
• Isolante: le cariche non sono libere di muoversi all'interno del materiale se non strappate meccanicamente

Prendiamo due sfere:

• La prima costruita di rame e isolata da terra: se avvicino una bacchetta carica positivamente alla sfera, vedremo che le cariche negative si accumuleranno verso la bacchetta, mentre le cariche positive andranno ad accumularsi verso il lato opposto della sfera. Se noi a questo collegassimo un conduttore a terra, vedremo che le cariche positive abbandoneranno la sfera. A questo punto stacchiamo il conduttore e allontaniamo la bacchetta. Vediamo che la carica della sfera rimarrà negativa.
• Stesso esperimento con una sfera di vetro: vediamo che i cambiamenti avvengono solo localmente e che, nonostante la presenza del conduttore a terra, le cariche rimangono sulla sfera.

Piccolo appunto: le cariche che si muovono possono essere solo elettroni. Quando si parla di cariche positive si intende una mancanza di elettroni (conseguenza rimane la carica dei protoni).

Teorema della conservazione della carica

La carica totale dell'universo è costante ed è uguale a zero. Prendendo un determinato volume con carica zero al tempo zero e con carica +1 al tempo 1, possiamo intuire che la carica negativa che prima era presente nel volume è uscita da esso e non è scomparsa.

Legge di Coulomb

Questa legge funziona molto bene per cariche senza estensione spaziale, ovvero puntiformi; infatti, la legge ci permette di valutare la forza di interazione tra due cariche intuendo immediatamente anche il verso. Si nota immediatamente la somiglianza tra le forze gravitazionali e le forze elettromagnetiche:

• Gravitazionale: Retta che collega le due masse
• Elettromagnetica: Retta che collega le due cariche
• Intensità: |F| = G (m₁ m₂) / r²
• |F| = k (q₁ q₂) / r²
• Verso: Sempre attrattive; se ++ o -- allora repulsive; se +- o -+ allora attrattive

Formula di Coulomb e principio di sovrapposizione

Data una carica di prova q₀ e altre cariche che la circondano, possiamo intuire che la forza applicata su q₀ è uguale alla somma vettoriale delle singole forze applicate su q₀ dalle singole cariche esterne.

Campo elettrico: Un campo è qualità definita da una quantità definita per ogni punto all'interno di uno spazio. Questa qualità può essere sia una grandezza scalare che una grandezza vettoriale, come nel caso dei campi elettrici. Date n cariche e una carica q₀, ipotizziamo che le n cariche siano fissate, allora vedremo che q₀ subirà una forza.

Definisco quindi campo elettrico E(q₀) = F / q₀, in questo modo il campo si svincola dalla carica e notiamo immediatamente che, essendosi svincolato dalla carica, la sua intensità varia solo al variare della distanza. Se conosco il campo elettrico, inserendo una carica qualsiasi di qualsiasi valore posso intuire a priori la forza che agirà su di essa. Inoltre, vediamo che il campo non varia al variare della carica di prova perché, appunto, dividendo per q₀ rendiamo il campo indipendente.

Nota a margine: I campi elettrici sono indipendenti dalle fonti che lo generano, ovvero questi viaggiano nel tempo e nello spazio come la luce e la gravità.