Cariche elettriche. Isolanti e conduttori



In natura si possono osservare anche ad occhio nudo fenomeni di natura elettrica: per esempio se strofiniamo con un panno di lana una bacchetta di ambra o anche un semplice pettine di plastica, essi acquisteranno la capacità di attirare corpuscoli leggeri quali granelli di polvere e pagliuzze.


Ogni corpo possiede delle cariche elettriche che possono passare da un corpo all'altro durante lo strofinio; tali cariche rendono i corpi elettricamente carichi o elettrizzati.



Questi corpi che si caricano per strofinio sono detti isolanti, in quanto capaci di trattenere la carica elettrica, mentre altri, come ad esempio i metalli e il corpo umano stesso, non trattengono la carica e sono detti conduttori: in questi corpi (solidi, liquidi, gassosi) i portatori di carica elettrica (ad esempio gli elettroni nei metalli, gli ioni nell'aria o nei liquidi elettrolitici) possono muoversi liberamente.


Da questi ed altri fatti sperimentali si deduce che esistono due diversi tipi di cariche elettriche: le cariche positive e le cariche negative.


Per le nostre considerazioni possiamo dire che la materia che ci circonda (corpi terrestri, pianeti, la nostra galassia) è formata da tre costituenti elementari, il protone p, l'elettrone e e il neutrone n.


La carica dell'elettrone è la più piccola osservata sperimentalmente: essa è chiamata carica elementare ed è indicata con -e, il segno meno indica che tale carica va considerata negativa. Il protone ha una carica positiva +e eguale in valore assoluto a quella dell'elettrone; il neutrone ha carica elettrica nulla (è neutro).


Ogni corpo elettricamente carico possiede sempre un numero intero di cariche elementari (elettroni e protoni): se il numero di elettroni supera quello dei protoni la carica totale sarà negativa e il corpo si dirà negativamente carico (o negativo); viceversa, se il numero di elettroni è minore del numero di protoni la carica totale sarà positiva ed il corpo si dirà positivamente carico (o positivo).


Il valore della carica elettrica dell'elettrone si misura in Coulomb (C) , dal nome dello scienziato che studiò per primo la natura dei fenomeni descritti precedentemente, e vale:




Per riassumere osserviamo la seguente tabella che elenca carica e massa sperimentali delle cariche elettriche elementari.



Esempio

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Principio di conservazione della carica elettrica



Immaginiamo di prendere due panni di seta e due bacchette di plastica. Prima di essere strofinati fra loro, le bacchette e i panni di seta sono neutri. Quindi ogni sistema panno + bacchetta è neutro, ossia la somma delle cariche positive eguaglia quella delle cariche negative.


Immaginiamo ora di strofinare i panni con le rispettive bacchette. Gli elettroni sono più leggeri dei protoni e meno legati alla struttura atomica e pertanto durante lo strofinio:


  • la bacchetta di vetro cede parte dei suoi elettroni al panno di seta;

  • il panno di seta cede parte dei suoi elettroni alla bacchetta di bachelite.


Ogni sistema panno + bacchetta è rimasto neutro: gli elettroni si sono trasferiti all'interno del sistema, ma la carica totale è rimasta sempre uguale a zero.


Elettrizzazione per strofinio



Tale fenomeno prende il nome di principio di conservazione della carica elettrica e si può riassumere con il seguente enunciato:


In un sistema elettricamente isolato la somma algebrica di tutte le cariche rimane costante nel tempo ovvero si conserva.



Forza elettrostatica



Sperimentalmente è stato osservato che cariche dello stesso segno si respingono mentre cariche di segno opposto si attraggono.


Forze tra particelle cariche



C. A. Coulomb nel 1785 stabilì la relazione che intercorre tra l'intensità della forza attrattiva (o repulsiva) tra due cariche poste ad una certa distanza tra loro. Al riguardo, si veda il capitolo Legge di Coulomb.


Densità di carica



A causa delle forze repulsive tra cariche dello stesso segno, una carica si distribuisce uniformemente su tutta la superficie disponibile o area . La carica presente per metro quadrato è chiamata densità di carica .


Densità di carica:




e si misura in Coulomb su metro quadrato.


Induzione elettrostatica



Consideriamo, per esempio, un'asta metallica elettricamente neutra (neutralità elettrica significa che gli atomi del materiale posseggono un numero di protoni ed elettroni identico, per esemplificazione denotiamolo ): essa avrà pertanto carica totale




Se avviciniamo una carica positiva q=+e ad una estremità dell'asta metallica le cariche positive presenti su tale estremità verranno respinte verso l'estremità opposta creando ivi un eccesso di cariche positive e, di conseguenza, un eccesso di cariche negative sull'estremità più vicina alla carica q.


Tale fenomeno prende il nome di induzione elettrostatica.


Induzione elettrostatica


redattore del materiale didattico: marco pezzini