Cariche Elettriche

1 – Elettrostatica
Cariche elettriche – In natura esiste una proprietà associata ad alcune particelle
costituenti la materia chiamata carica elettrica. Le cariche elettriche sono di due tipi
chiamate storicamente cariche positive e cariche negative. Poste in vicinanza, cariche
dello stesso tipo esercitano fra loro una forza repulsiva, mentre cariche di tipo diverso
presentano una forza attrattiva.
Le forze dovute alla presenza di cariche elettriche o al moto delle stesse vengono
definite forze elettromagnetiche e costituiscono una delle 4 forze fondamentali presenti
nell'Universo.
Normalmente negli atomi sono presenti un uguale numero di cariche negative e di
cariche positive, per cui l'effetto globale verso l'esterno risulta nullo e nessuna forza di
tipo elettrico si manifesta fra due corpi posti in prossimità. Se l'equilibrio fra le cariche
viene in qualche modo alterato, nascono forze di natura elettrica.
Questo fenomeno era già noto ai Greci dell'età classica i quali avevano scoperto
che l'ambra* strofinata con un panno di lana aveva la proprietà di attirare corpi leggeri
come foglie secche, capelli, ecc. L'ambra che in greco era chiamata ελεχτρον, (elektron)
ha dato il nome all'insieme dei fenomeni di questo tipo e a tutta quella branca della
fisica che se ne occupa.
La fenomenologia relativa al comportamento delle cariche elettriche in quiete è
stata oggetto di studi estesi per tutto il secolo XVIII, è vastissima e prende il nome di
elettrostatica.
Le cariche elettriche elementari - La nostra conoscenza della natura più intima
della materia ha rivelato che la carica elettrica ha una struttura discontinua. Questo vuol
dire che una carica elettrica così come viene normalmente sperimentata è costituita da
un grande numero di cariche che non sono ulteriormente divisibili: le cariche elettriche
elementari.
Esiste la carica elettrica elementare negativa che è associata ad una particella
chiamata elettrone. Gli elettroni sono costituenti fondamentali degli atomi, hanno una
piccolissima massa me=1,6·10 –27 kg, ed una carica chiamata universalmente e– che
non è frazionabile.
Con una terminologia che appartiene alla fisica classica gli elettroni negli atomi
ruotano intorno ai rispettivi nuclei in orbite che hanno raggi dell'ordine di ≈10 –10 m e
che determinano le dimensioni dell'atomo stesso. Con una terminologia più corretta,
propria della meccanica quantistica, gli elettroni atomici occupano intorno al nucleo
livelli energetici successivi in accordo con il principio di esclusione di Pauli.
Oltre la carica elementare negativa, esiste la carica elettrica elementare positiva
associata ad una particella chiamata protone, che rappresenta un costituente
fondamentale dei nuclei degli atomi.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------* Resina fossile presente prevalentemente in giacimenti del carbonifero nel Nord Europa
Il protone ha una massa mp=1,6·10 –27 kg, quindi 1840 volte più grande della
massa dell'elettrone ed una carica positiva e+ uguale in valore assoluto a quella
dell'elettrone anch'essa non frazionabile.
Altre particelle costituenti la materia, oltre quelle citate, presentano cariche
positive e cariche negative, ma in queste lezioni si parlerà soltanto di protoni e di
elettroni.
Nel nucleo atomico sono presenti anche particelle neutre, i neutroni, con massa
quasi uguale a quella dei protoni mn=1,6 ·10 –27 kg e carica elettrica nulla.
Protoni e neutroni sono saldamente legati l'un l'altro nel nucleo atomico dalla
forza nucleare forte, che agisce su entrambi alle distanze dell'ordine di ≈10 –15 m
tipiche delle distanze nucleari: fig.1.1).
Fig.1.1) – Un atomo di litio con il nucleo contenente 4
protoni e 5 neutroni. Gli elettroni sono
rappresentati classicamente in orbite
intorno al nucleo e sia gli elettroni che le
dimensioni delle orbite non sono in scala
rispetto alle dimensioni del nucleo.
Protoni e neutroni vengono a volte chiamati nucleoni perchè costituenti del
nucleo ed anche barioni perchè particelle pesanti. L'unico nucleo atomico privo di
neutroni è il nucleo dell'atomo di idrogeno che è costituito da un solo protone.
La forza nucleare forte che si manifesta fra i nucleoni è attrattiva ed è milioni di
volte più intensa della forza di repulsione elettrostatica esistente fra i protoni del nucleo,
cosa questa che rende possibile l'esistenza di nuclei con alto numero atomico dove
decine e decine di cariche dello stesso segno sono vincolate stabilmente a distanze
dell'ordine ≈10 –15 m le une dalle altre.
Non sono state ancora rivelate cariche elettriche che abbiano una carica che sia
frazione della carica elementare, anche se in una teoria più avanzata, il Modello
Standard, che tenta di comprendere la struttura più intima di particelle come il protone
ed il neutrone, si ipotizza l'esistenza di particelle ancora più elementari, i quark, che
dovrebbero essere associati a cariche elettriche frazioni di quelle elementari fin'ora
osservate.
Nell'atomo, il numero di protoni nel nucleo è uguale al numero di elettroni
periferici ed in assenza di interventi esterni, costituisce un insieme elettricamente
neutro.
Azioni esterne possono tuttavia alterare l'equilibrio ed uno o più elettroni possono
essere strappati all'atomo o aggiungersi ad esso. Nel primo caso si forma quello che si
chiama uno ione positivo, nel secondo caso si forma uno ione negativo.
Questo fenomeno si chiama ionizzazione ed avviene quando l'atomo è investito da
energia sufficiente per cause diverse come urti con altri atomi o particelle energetiche o
onde elettromagnetiche di elevata energia.
La ionizzazione dell'atomo avviene anche nella formazione di composti con
legame ionico come ad esempio il cloruro di sodio (NaCl) quando gli atomi dei singoli
elementi, originariamente neutri, si avvicinano in modo tale che uno degli atomi di cloro
possa strappare l'elettrone meno legato di uno degli atomi di sodio per legarlo a se
formando quindi il composto.
Ionizzazioni nei gas, sono provocate da temperature elevate e sono tanto maggiori
quanto più alte sono le temperature. La miscela di ioni positivi, ioni negativi ed elettroni
liberi che si realizza in queste condizioni, viene chiamata plasma.
Lo stato di plasma è considerato un quarto stato di aggregazione della materia ed
ubbidisce a leggi complesse, governate oltre che dalle classiche leggi dei gas, anche
dall'elettrodinamica delle particelle cariche.
1.1 – Fenomeni elettrici
Elettrizzazione - La prevalenza di uno dei due tipi di carica in un determinato
corpo viene chiamata elettrizzazione. Poiché le cariche positive sono associate ai
protoni, esse sono virtualmente immobili in un corpo, l'alterazione dell'equilibrio
elettrico è dovuto quindi alla variazione del numero di elettroni, o ad una loro
asimmetrica distribuzione rispetto ai rispettivi nuclei.
Di conseguenza una elettrizzazione negativa è dovuta ad un eccesso di elettroni,
mentre una elettrizzazione positiva è dovuta ad un difetto di elettroni, in quanto questo
comporta, come ovvio, un eccesso di cariche positive.
L'elettrizzazione si può ottenere, oltre che per strofinio, anche per contatto con un
corpo che sia già elettrizzato o per induzione per la vicinanza di un altro corpo
elettrizzato. Nel primo caso, durante lo strofinio, parte degli elettroni superficiali si
trasferisce dall'uno all'altro corpo ed una volta separati, i due corpi, l'uno con eccesso di
cariche negative e l'altro con difetto di cariche negative (e quindi eccesso di cariche
positive), manifesteranno una reciproca forza attrattiva.
Fig.1.1.1) a) – Nello strofinio di una bacchetta di plexiglass con un panno di lana, una certa quantità di
cariche negative passa dalla lana alla bacchetta.
b) – Una volta separati i due corpi mantengono l'elettrizzazione e manifestano una forza di
attrazione.
Un esempio di questo tipo è appunto l'ambra ma anche l'ebanite o il polietilene
che, strofinati con lana, acquisiscono elettroni dalla lana e si caricano negativamente,
mentre il vetro con lo stesso trattamento perde elettroni acquisendo una carica positiva:
fig.1.1.1). In ogni caso, le cariche perdute da un corpo sono sempre rigorosamente
uguali a quelle acquisite dall'altro.
Questa caratteristica delle cariche elettriche è espressa dal Principio di
conservazione della carica elettrica che ha validità universale:
● in un sistema isolato la somma di tutte le cariche elettriche resta costante nel tempo.
Il secondo caso di elettrizzazione, si ha nel contatto fra un corpo elettrizzato dopo
uno strofinio, per esempio positivamente, ed uno neutro. In questo caso parte degli
elettroni del secondo si trasferisce nel primo, per cui dopo la separazione anche il
secondo corpo presenterà un eccesso di cariche positive. I due corpi avendo cariche
dello stesso segno, una volta separati sono soggetti ad una forza d'interazione repulsiva:
fig.1.1.2).
Fig.1.1.2) a)–Una bacchetta di vetro elettrizzata positivamente entra in contatto con un corpo
conduttore e una certa quantità di cariche positive si trasferisce al conduttore.
b)–Una volta separati i due corpi mantengono le rispettive elettrizzazioni.
Nel terzo caso, la vicinanza dell'oggetto elettrizzato provoca in quello neutro una
parziale distribuzione spaziale delle cariche dei due tipi, generando quindi una
prevalenza di cariche di un determinato segno in due parti distinte del corpo.
Si forma in questo modo quello che viene detto dipolo elettrico, cioè una struttura
legata che presenta i baricentri delle cariche positive e quelli delle cariche negative non
coincidenti. Si approfondirà questo punto in un successivo paragrafo.
Allontanando i due oggetti, l'induzione scompare e nell'oggetto originariamente
neutro le cariche tornano ad essere uniformemente distribuite ripristinando la neutralità.
Evidenze sperimentali di questi ultimi due esempi di elettrizzazione sono semplici
da verificare qualitativamente utilizzando una sferetta di materiale leggero appesa
tramite un filo di seta ad un supporto (pendolino elettrostatico).
Se una bacchetta di vetro o plexiglas, preventivamente elettrizzata per strofinio,
viene avvicinata al pendolino a riposo, le cariche della bacchetta (positive o negative)
indurranno una distribuzione asimmetrica delle cariche interne nella sferetta, attirando
quelle di segno opposto ed respingendo quelle di ugual segno. In queste condizioni il
pendolino è attratto dalla bacchetta: fig.1.1.3)a.
Se la sferetta arriva a toccare la bacchetta elettrizzata, durante il contatto parte
delle cariche si trasferiscono elettrizzando la sferetta. Poiché i due corpi hanno ora
cariche dello stesso segno fra essi si manifesteranno forze repulsive: fig.1.1.3)b.
Fig.1.1.3) a) – Nello strofinio di una bacchetta di plexiglass con un panno di lana, una certa quantità di
cariche negative passa dalla lana alla bacchetta.
b) – Una volta separati i due corpi mantengono l'elettrizzazione e manifestano una forza di
attrazione.
Conduttori ed isolanti - Rispetto al comportamento delle cariche elettriche, la
materia si distingue in due grandi classi: i conduttori e gli isolanti anche detti
dielettrici.
Tab. 1.1.1) Materiali conduttori e materiali isolanti.
Sono conduttori quei materiali nei quali le cariche trasferite in un punto del corpo,
si muovono liberamente distribuendosi in tutte le parti del corpo stesso: fig.1.1.2).
Sono isolanti quei materiali nei quali le cariche restano localizzate nella regione
del corpo in cui sono state prodotte o trasferite. In Tab. 1.1.1) è riportato un elenco dei
più comuni conduttori ed isolanti.
Elettroscopi - Qualsiasi strumento di misura delle forze di natura elettrica
esercitate fra cariche in quiete viene chiamato elettroscopio.
Un pendolino elettrostatico è di fatto un elettroscopio, anche se nell'apparato
descritto, risulta difficile esprimere i fenomeni attrattivi e repulsivi in modo
quantitativo.
Uno strumento in grado di dare anche una stima quantitativa delle cariche
elettriche coinvolte nei fenomeni è l'elettroscopio a foglie d'oro.
L'elettroscopio a foglie è costituito da una coppia di sottili foglie di metallo
(originariamente oro), poste in un involucro trasparente per evitare disturbi dovuti a
spostamenti d'aria, connesse ad una sfera metallica esterna tramite un conduttore.
Qualsiasi elettrizzazione della sfera esterna, sia per contatto che per induzione,
viene trasmessa alle foglioline. Queste, elettrizzate con cariche dello stesso segno,
divergono segnalando così la presenza e la quantità delle cariche coinvolte: fig.1.1.4).
Fig.1.1.4) Un elettroscopio a foglie d'oro rivela
cariche elettriche quando le foglioline
divergono.