1. Premessa Abbiamo senz`altro verificato personalmente che se

1. Premessa
Abbiamo senz'altro verificato personalmente che se strofiniamo una biro di plastica, essa
acquista la proprietà di attirare piccoli pezzetti di carta, se ci pettiniamo in un ambiente con
aria secca i capelli tendono a seguire il pettine una volta che lo solleviamo e se tocchiamo la
carrozzeria dell'automobile a volte "prendiamo la scossa"
Diciamo allora che gli oggetti si sono elettrizzati e portano una carica elettrica.
1.1 Cariche elettriche
Procedendo in laboratorio con semplici esperienze possiamo mettere in evidenza:
a) che esistono due tipi di elettrizzazione, che per convenzione indichiamo con positiva
(+), per es. è il caso del vetro, e negativa (-), per es. è il caso del polietilene;
b)che due oggetti carichi dello stesso segno si respingono e due oggetti carichi di
segno contrario si attraggono (fig.1.1);
fig. 1.1
c) se un oggetto è carico, avvicinandolo ad un elettroscopio a foglie o semplicemente a un
pendolino elettrico (fig.1.2) e possiamo inoltre verificare il segno della carica se gli strumenti
sono stati precedentemente caricati con cariche di segno noto;
fig. 1.2
d) che i materiali si possono classificare come conduttori (per es. i metalli) o isolanti (per
es. il vetro e la plastica) (fig.1.3) a seconda che permettano o no il trasferimento delle
cariche;
fig. 1.3
e) che un oggetto conduttore può essere caricato per contatto o per induzione
elettrostatica (fig.1.4)
fig. 1.4
Vale inoltre il Principio di conservazione della carica: la carica si trasferisce da un oggetto
ad un altro, ma la quantità di carica che uno assume è uguale alla quantità di carica che l'altro
perde.
1.2 Forza di interazione elettrica: la legge di Coulomb
Come abbiamo osservato precedentemente due oggetti carichi interagiscono tra loro. La
forza che essi esercitano l'uno sull'altro dipende dall'intensità della carica, dalla distanza
(supponiamoli per semplicità puntiformi) e dal mezzo nel quale si trovano immersi.
𝐹=𝑘
𝑞1 ∙ 𝑞2
𝑟2
dove q1 e q2 sono le rispettive cariche, r la distanza e k una costante che dipende dal
mezzo.
L'unità di misura della carica nel SI è il coulomb (C) e la costante k nel vuoto (in buona
approssimazione nell'aria) in questo sistema vale 𝑘 = 9 ∙ 109 𝑁𝑚2 /𝐶 2
Per ora possiamo definire il Coulomb come la carica che posta nel vuoto alla distanza di un
metro da una carica uguale la respinge con la forza di 9∙109N.
Preferibilmente si introduce un'altra costante ε0 (costante dielettrica nel vuoto) che è legata
1
a k dalla relazione k = 4πε
0
da cui ricaviamo ε0 = 8,86 ∙ 10−12
C2
Nm2
1
Se le cariche si trovano in un mezzo isolante (dielettrico), k = 4πε
0 ∙εr
costante dielettrica relativa del mezzo (assume valori maggiori di 1).
e εr rappresenta la
Confronto con la legge di Gravitazione Universale
1
𝑟2
Analogie
azione a distanza
Differenze
Forza gravitazionale sempre attrattiva
Fra qualsiasi coppia di corpi
Forza elettrica attrattiva e repulsiva
Solo se i corpi sono carichi
𝐹∝
Forza gravitazionale non dipende dal mezzo
Forza elettrica dipende dal mezzo
Forza gravitazionale ≪ della Forza elettrica
es.: fra un elettrone e un protone Fe/Fg=1039
Problemi
1. Agli estremi di un segmento lungo l=1,0m sono fissate due cariche puntiformi positive
Q1=9,96.10-6C e Q2=1,90.10-6C.
a) Se sistemiamo nel centro del segmento una carica positiva Q=6,28 .10-6C, a quale forza
elettrica essa è soggetta? (1,8 N)
b) Dove dovrebbe essere posta Q, affinché rimanga in equilibrio? (0,69 m)
2. Tre oggetti ugualmente carichi sono disposti come in figura. La forza elettrica esercitata da A
su B è F=3,0 10-6N.
a) Qual è la forza elettrica che C esercita su B? (12 ∙ 10−6 𝑁)
b) Qual è la forza elettrica risultante su B? (9 ∙ 10−6 𝑁)
3. Supponete che tre piccole sfere ugualmente cariche vengano disposte come in figura. C
esercita una forza 𝐹 = 4 ∙ 10−7 N su B. a) Qual è la forza che A esercita su B? (3 ∙ 10−7 𝑁)
b)
Qual è la forza risultante su B? (5 ∙ 10−7 𝑁)
4. Due sfere conduttrici identiche, ugualmente cariche, A e B, si respingono con una forza
F=2,0.10-5N. Un'altra sfera identica, C, scarica, viene messa a contatto con A e quindi con B.
a) Qual è la forza elettrica agente ora su A? (0,75 ∙ 10−5 𝑁)
b) Qual è la forza elettrica risultante su C (dopo il contatto con A), quando si trova a metà
strada fra A e B? (2 ∙ 10−5 𝑁) (6 ∙ 10−5 𝑁
1.3 Esperienza di Millikan e quantizzazione della carica elettrica
Con l'esperienza di Millikan si mette in evidenza l'esistenza di una carica elementare.
La carica elementare vale e=1,6.10 -19C, che corrisponde alla carica dell'elettrone.
Un oggetto è scarico quando il numero delle cariche negative è uguale al numero delle cariche positive. In un
conduttore esistono degli elettroni liberi (elettroni di conduzione) che possono spostarsi quando soggetti ad una
azione elettrica. Un corpo si carica positivamente quando perde elettroni, si carica negativamente quando li acquista.
Si può così spiegare sia la carica per contatto che per induzione.
Nei dielettrici la carica avviene solo in superficie, quando si fornisce energia sufficiente per estrarre elettroni (per
esempio per strofinio).