Teoria
Carica elettrica e legge di Coulomb
Che cos'è la carica elettrica e quali proprietà ha, come si elettrizzano conduttori e isolanti, come la legge di Coulomb e il principio di sovrapposizione danno la forza tra cariche puntiformi in una e due dimensioni, e quando un sistema di cariche è in equilibrio.
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Carica elettrica
In tutto l’argomento le cariche sono ferme in un sistema di riferimento inerziale e si trovano nel vuoto, salvo dove è detto diversamente.
La carica elettrica è la grandezza scalare che misura l’attitudine di un corpo a esercitare e a subire forze elettriche. Esistono due specie di carica, dette per convenzione positiva e negativa; due corpi con cariche dello stesso segno si respingono, due corpi con cariche di segno opposto si attraggono. La carica di un corpo è la somma algebrica delle cariche dei suoi costituenti, e un corpo con carica totale nulla si dice neutro.
La materia ordinaria è formata da atomi, con un nucleo di protoni e neutroni circondato da elettroni. Il protone ha carica , l’elettrone ha carica e il neutrone è neutro, con
Un corpo è carico negativamente se ha più elettroni che protoni, positivamente se ne ha meno. L’unità di misura nel Sistema Internazionale è il coulomb, legato all’ampere, unità della corrente, dalla relazione ; per la corrente si rimanda all’argomento sulla corrente elettrica e i circuiti in corrente continua. Le cariche dei corpi di laboratorio sono molto più piccole di un coulomb, e si usano i sottomultipli e .
1. Quantizzazione della carica
È un fatto sperimentale, misurato con precisione per la prima volta da Robert Millikan con l’esperimento delle gocce d’olio, che la carica di ogni corpo isolato è un multiplo intero della carica elementare:
I quark, costituenti di protoni e neutroni, hanno cariche e , e non si osservano isolati; perciò le cariche misurabili sono multipli di .
La legge permette di contare le cariche elementari trasferite in un processo di elettrizzazione. Un corpo con carica ha
elettroni in eccesso. Poiché è molto piccola, nei corpi macroscopici è enorme, e la carica si tratta come una grandezza che varia con continuità.
2. Conservazione della carica
È un principio sperimentale, verificato in tutti i processi noti, comprese le reazioni tra particelle elementari, secondo il quale in un sistema isolato la somma algebrica delle cariche resta costante nel tempo,
La carica si sposta da un corpo all’altro e la sua somma algebrica resta la stessa; cariche nuove compaiono solo a coppie di segno opposto, come nella creazione di un elettrone e di un positrone da un fotone di alta energia.
Il principio fissa la carica totale nei problemi di contatto e di strofinio. Se due corpi con cariche e si toccano e poi si separano, la somma delle loro cariche finali è , qualunque sia la ripartizione.
Conduttori e isolanti
Un conduttore è un materiale in cui una parte delle cariche, dette cariche di conduzione, si sposta liberamente al suo interno; nei metalli sono gli elettroni più esterni degli atomi, non legati a un singolo nucleo. Un isolante, o dielettrico, è un materiale in cui ogni elettrone resta legato al proprio atomo o alla propria molecola. Sono conduttori i metalli, la grafite, le soluzioni saline e il corpo umano; sono isolanti il vetro, la plastica, la gomma, la ceramica e l’aria secca. I semiconduttori, come il silicio, hanno un comportamento intermedio, che dipende dalla temperatura e dalle impurezze.
La distinzione stabilisce dove si trova la carica di un corpo elettrizzato. Su un isolante la carica resta nella zona in cui è stata depositata. Su un conduttore le cariche in eccesso si respingono e si spostano finché raggiungono una configurazione di equilibrio, nella quale stanno sulla superficie esterna; per le proprietà dei conduttori in equilibrio si rimanda all’argomento su conduttori, condensatori e dielettrici.
Messa a terra
La Terra è un conduttore molto grande, che può cedere o assorbire elettroni senza che il suo stato elettrico cambi in modo apprezzabile. Collegare un conduttore a terra con un filo metallico permette alle cariche di conduzione di passare tra il conduttore e la Terra; perciò un conduttore collegato a terra, lontano da altri corpi carichi, si scarica. Il collegamento a terra serve nell’elettrizzazione per induzione, e negli impianti elettrici impedisce che gli involucri metallici degli apparecchi restino carichi.
La teoria continua con 6 altri paragrafi (elettrizzazione, legge di coulomb, principio di sovrapposizione…), oltre a tutte le schede svolte, le soluzioni e il PDF.
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