Elettrostatica
L'elettrostatica è una branca della fisica classica ed in particolare dell'elettrologia che studia i fenomeni legati alle cariche elettriche ferme, cioè non in movimento.
Essa studia in particolar modo le cariche elettriche a riposo e le forze che esse esercitano l'una sull'altra. Si occupa di fenomeni come l'attrazione e la repulsione tra cariche elettriche, il campo elettrico e il potenziale elettrico. In sostanza, l'elettrostatica analizza come le cariche si distribuiscono e interagiscono quando non sono in movimento. È un argomento fondamentale per comprendere molti aspetti dell'elettricità e delle forze che agiscono nel mondo fisico.
Ci sono due tipi di cariche elettriche: quella positiva, come nel caso del vetro elettrizzato, e quella negativa, come nell'ambra. Le cariche dello stesso tipo si respingono, mentre quelle di segno opposto si attraggono, seguendo sempre la legge di Coulomb.
Descrizione
Nell'elettrostatica si analizzano i fenomeni e le leggi che regolano l'interazione tra le cariche elettriche e la loro attuazione in varie situazioni. Tra gli oggetti interessati dall'elettrostatica e dal suo studio figurano gli atomi, microscopiche particelle di materia che possono combinarsi in vari modi e sono composti a loro volta da particelle più piccole denominate subatomiche, che si differenziano in tre categorie: i protoni ed i neutroni che costituiscono il nucleo e gli elettroni che si muovono attorno ad esso formando delle orbite. Gli elettroni che orbitano più esternamente rispetto al nucleo sono detti elettroni di valenza e sono quegli elettroni che possono allontanarsi più facilmente dal nucleo e, di conseguenza, disperdersi nel materiale.
Atomi e cariche elettriche
Gli elettroni ed i protoni sono particelle subatomiche dotate di cariche elettriche. Nel caso degli elettroni si ha una carica negativa mentre nel caso dei protoni si ha una carica positiva. Lo strato di carica complessivo, definito come il bilancio totale tra le particelle subatomiche che lo compongono, determina la sua reattività e, di conseguenza, le sue proprietà.
Gli stati energetici dell'atomo sono tre, in relazione alla composizione delle particelle subatomiche. Un atomo è detto neutro quando presenta il medesimo numero di protoni e di elettroni. Quando un atomo presenta un numero di protoni diverso da quello di elettroni si parla di atomi elettrizzati e possono essere definiti catione (maggioranza di protoni e quindi caricati positivamente) o anione (maggioranza di elettroni, dunque caricati negativamente).
| Particella | Carica elettrica | Carica relativa al protone | Massa (Kg) |
|---|---|---|---|
| elettrone (e) | -1,6 • 10-19 C | -1 | 9,109 • 10-31 Kg |
| protone (p) | 1,6 • 10-19 C | +1 | 1,673 • 10-27 Kg |
| neutrone (n) | 0 | 0 | 1,675 • 10-27 Kg |
Proprietà delle cariche elettriche stazionarie
Esistono due tipi di cariche: una positiva e una negativa. Tra loro, cariche di segno opposto si attraggono, mentre quelle dello stesso segno si respingono. Inoltre, la carica elettrica si conserva, cioè non può essere creata né distrutta, ma solo trasferita da un corpo all'altro. Un'altra proprietà fondamentale è che la carica è quantizzata, cioè esiste in quantità discrete, sempre come multipli di una carica elementare. Infine, la forza che si esercita tra due cariche puntiformi diminuisce all’aumentare della distanza tra esse, seguendo una legge precisa: è inversamente proporzionale al quadrato della distanza che le separa.
Carica elettrica
Gli esperimenti hanno dimostrato che la carica elettrica di un protone è esattamente uguale, per valore assoluto, a quella di un elettrone, anche se di segno opposto: il protone possiede una carica positiva, indicata con +e, mentre l’elettrone ha una carica negativa, −e. Nel Sistema Internazionale, l’unità di misura della carica elettrica è il Coulomb, abbreviato con la lettera C.
In una carica da un Coulomb sono presenti 6,25 • 1018 di elettroni e cioè 6250000000000000000 elettroni in totale. Tale risultato è stato ottenuto effettuando la frazione tra la carica elettrica totale di un Coulomb e la carica di un singolo elettrone, in entrambi i casi espressa in Coulomb.
- n: numero di cariche elementari presenti in quella quantità di carica totale
- q: carica elettrica totale di un coulomb, che appunto è 1,00C
- e: carica elettrica di un singolo elettrone o protone, che appunto è 1,6 • 10-19 C
La carica di un elettrone o di un protone è il più piccolo valore di carica libera che sia mai stato misurato.
Legge di Coulomb
Coulomb ha dimostrato che esistono cariche elettriche positive, neutre e negative, ed in caso una carica elettrica fosse positiva mentre l'altra è negativa si verifica un'attrazione tra i corpi che ospitano tali cariche, mentre in caso due cariche fossero entrambe positive o entrambe negative si ha invece il fenomeno della repulsione tra le due cariche.
Tale concetto viene spiegato dalla Legge di Coulomb, che è dettato dalla seguente formula:
L'intensità (F) della forza elettrostatica esercitata da una carica puntiforme q1 su una carica puntiforme q2 è direttamente proporzionale a |q1| e |q2|, ed è inversamente proporzionale al quadrato della distanza r che le separa.
- F: Forza elettrostatica espressa in Newton (N)
- k: costante di proporzionalità (nel Sistema Internazionale vale 8,99 • 109 N • M2/C2)
- q1, q2: cariche puntiformi, espresse in Coulomb (C)
- r: distanza tra le due cariche espressa in metri (m)
- ∣⋅∣: il valore assoluto serve a indicare che la forza è sempre positiva in modulo (ma il verso dipende dal segno delle cariche)
La legge di Coulomb, che descrive l'interazione tra cariche elettriche in condizioni elettrostatiche, mostra molte somiglianze con la legge di gravitazione universale (nota anche come Legge di Newton). Tuttavia, la principale differenza tra le due risiede nella natura delle forze in gioco: mentre la gravitazione è sempre attrattiva, le forze elettriche possono essere sia attrattive che repulsive, a seconda del tipo di cariche coinvolte.
Conduttori ed isolanti
Non tutti i materiali conducono la carica elettrica allo stesso modo: I materiali che conducono bene la carica elettrica sono i conduttori elettrici. Al contrario, i materiali che conducono male la carica elettrica sono chiamati isolanti elettrici.
Nei conduttori alcuni elettroni di valenza si possono separare dall'atomo originario e si disperdono più o meno liberamente nel materiale, mentre negli isolanti ogni elettrone rimane vincolato al proprio atomo.
Elettrizzazione
L’elettrizzazione è un fenomeno che si verifica tra due corpi inizialmente neutri, cioè con una carica elettrica totale pari a zero. In queste condizioni, entrambi i corpi possiedono lo stesso numero di cariche positive e negative, e per questo si dicono elettricamente neutri. Durante il processo di elettrizzazione, uno dei due corpi può perdere elettroni, diventando così carico positivamente e trasformandosi in un catione, oppure può acquistare elettroni, caricandosi negativamente e diventando un anione.
Quando un corpo elettrizzato viene avvicinato a un corpo neutro, quest’ultimo tende ad essere attratto dal primo, a causa della forza elettrica che si esercita tra le cariche. Questo effetto, però, non si manifesta se si avvicinano due corpi dello stesso materiale entrambi caricati con lo stesso segno (entrambi positivi o entrambi negativi), poiché in tal caso le cariche si respingono. È importante sottolineare che, nel processo di elettrizzazione, l’unica particella che si muove effettivamente è l’elettrone.
Tra i metodi di elettrizzazione troviamo i seguenti:
- Elettrizzazione per contatto: Questo metodo consiste nel mettere a contatto un corpo carico con uno neutro. Durante il contatto, avviene un trasferimento di elettroni dal corpo con maggiore carica negativa verso quello neutro, fino a raggiungere un certo equilibrio. Alla fine del processo, entrambi i corpi risultano carichi, anche se in misura minore rispetto al corpo inizialmente carico.
- Induzione elettrostatica: Nel caso dell’induzione elettrostatica, un corpo carico viene avvicinato a un conduttore neutro senza toccarlo. Questo provoca una ridistribuzione delle cariche all’interno del conduttore: le cariche negative si spostano, attratte o respinte dalla presenza del corpo carico esterno. Poiché nei conduttori gli elettroni sono liberi di muoversi, si dispongono in modo da generare una separazione di carica nel corpo neutro.
- Polarizzazione: La polarizzazione è simile all’induzione, ma avviene negli isolanti. In questo caso, le cariche negative non si spostano liberamente come nei conduttori, ma restano legate al nucleo. Tuttavia, possono leggermente spostarsi rispetto alla loro posizione originaria, deformando la loro orbita. Questo spostamento interno crea comunque un effetto di separazione di carica, anche se più limitato rispetto all’induzione nei conduttori.
- Elettrizzazione per strofinio: Quando due materiali diversi vengono strofinati tra loro, la forza di attrito trasferisce energia agli elettroni. Alcuni di questi acquisiscono abbastanza energia da staccarsi dal proprio atomo e passare sull’altro oggetto. Di solito, gli elettroni si spostano verso il materiale che tende a trattenere più fortemente le cariche negative, lasciando l’altro corpo carico positivamente.
Infine c'è la messa a terra, che rappresenta il processo opposto all’elettrizzazione. Se ad esempio carichiamo elettricamente un corpo strofinandolo con un panno di lana, possiamo successivamente scaricarlo collegandolo alla terra. In questo modo, l’elettricità accumulata dal corpo viene dispersa, e il corpo torna a essere elettricamente neutro. La Terra, essendo un enorme serbatoio di cariche, è in grado di assorbire o fornire elettroni senza subire variazioni significative nel proprio stato elettrico.
Storia
L'elettrostatica è il primo fenomeno elettrico scoperto e studiato dall'essere umano nel corso della sua storia. Fonti riguardanti l'elettrostatica risalgono infatti all'Antica Grecia del 600 a.C. circa e lo studio del fenomeno viene attribuito ai filosofi come Talete di Mileto e Teofrasto. i Greci scoprirono che, strofinando dell'ambra con un panno di lana, essa è in grado di attirare su di sé pagliuzze, piume, fili et similia. L'ambra è una resina emessa dalle conifere che col tempo si fossilizza e si solidifica ed in Greco antico è chiamata ἤλεκτρον (elektron), dando così il nome alll'elettricità ed a tutto ciò che ne deriva.
Il fenomeno dello strofinio dell'ambra è stato in seguito riportato nel 1600 dal fisico e medico britannico William Gilbert, il quale scrisse sul De Magnete che lo strofinio dell'ambra è un fenomeno elettrico e non magnetico. William Gilbert elaborò una teoria nota come elettrizzazione per strofinio, secondo la quale lo sfregamento riscalda i corpi, provocando l’emissione di un fluido capace di attrarre oggetti leggeri nelle vicinanze. Per verificare questa ipotesi, condusse numerosi esperimenti, osservando tra l’altro che la forza di attrazione elettrica diminuisce con l’aumentare della distanza.
Nella seconda metà del XVII secolo, il tedesco Otto von Guericke realizzò il primo generatore elettrostatico a strofinio, osservando durante il suo utilizzo scariche elettriche accompagnate da luminescenza e crepitii, fenomeno che chiamò "fuoco elettrico". Dimostrò inoltre che la carica elettrica poteva essere trasferita a distanza tramite un filo conduttore. Un'altra sua scoperta fu che, dopo essere stati attratti da un corpo carico come l'ambra, alcuni oggetti venivano successivamente respinti, evidenziando la duplice natura della forza elettrica: attrattiva e repulsiva.
Poco dopo, il fisico francese Charles François de Cisternay du Fay individuò l’esistenza di due tipi di carica elettrica: positiva e negativa. Le sostanze che generavano queste cariche furono classificate come “vetrose” (come il vetro) e “resinose” (come l’ambra). Du Fay scoprì che cariche dello stesso tipo si respingono, mentre cariche opposte si attraggono, e ipotizzò che i corpi neutri contenessero quantità uguali di entrambi i tipi di fluido elettrico.
Nel 1779, l’ingegnere francese Charles Augustin Coulomb progettò una bilancia a torsione, che nove anni più tardi utilizzò per dimostrare che la forza di attrazione o repulsione tra due corpi puntiformi elettricamente carichi è inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza. Grazie a questa scoperta, Coulomb ha anche realizzato una legge della fisica che porta il suo nome che ha spinto la comunità scientifica internazionale a riconoscerlo come fondatore della teoria matematica dell'elettricità e del magnetismo, ed a nominare in suo onore l'unità di misura della carica elettrica secondo il sistema internazionale di unità di misura.
La scoperta dell’elettrone, avvenuta nel 1887 grazie al Premio Nobel britannico Joseph John Thomson, determinò il rapporto tra la sua carica e la sua massa assieme al riconoscimento dell’atomo come unità fondamentale della materia, rendendo possibile spiegare i fenomeni legati all’elettrizzazione per strofinio.
Voci correlate
- Elettromagnetismo
- Legge di Coulomb
- Carica elettrica
- Corrente elettrica
- Atomo
- Magnetismo
- Charles Agustin de Coulomb
- Alessandro Volta
- Campo elettrico
