La carica elettrica e la legge di Coulomb

Didascalia alternativa:

triboelettrica. Gli elettroni, i protoni e la convenzione della carica elettrica La carica elettrica è una proprietà dei componenti microscopici della materia. Gli atomi contengono due tipi di particelle cariche: ● gli elettroni, identici l'uno all'altro, con massa dell'ordine di 10-30kg e carica negativa; ● i protoni, anch'essa identici tra loro, con massa dell'ordine di 10-27kg e carica positiva, uguale in valore assoluto e opposta a quella degli elettroni. Assieme ai neutroni, che sono particelle prive di carica elettrica, i protoni formano il nucleo dell'atomo. I protoni sono uniti saldamente tra loro e ai neutroni e a causa di questi forti legami non possono staccarsi dall'atomo a cui appartengono. Gli elettroni, invece, che sono trattenuti attorno al nucleo da forze più deboli, possono liberarsi e passare da un atomo all'altro, Un atomo che perde uno o più elettroni si ritrova con un eccesso di protoni e quindi diventa carico positivamente, Viceversa, un atomo che acquista uno o più elettroni diventa carico negativamente. Nel primo caso l'atomo è chiamato ione positivo e nel secondo ione negativo. NUCLEO NEUTRONE PROTONE ELETTRONE Se un corpo è carico, vuol dire che in esso si è creato uno squilibrio tra protoni ed elettroni. Un corpo è carico negativamente quando ha più elettroni che protoni; è carico positivamente quando ha meno elettroni che protoni. Quando strofiniamo il vetro con la lana, gli elettroni strappati al vetro passano alla lana: Il panno di lana, acquistando elettroni, diventa carico negativamente; la bacchetta di vetro, perdendo elettroni, si carica positivamente. @ Questa proprietà è vera in generale ed è espressa dalla legge di conservazione della carica elettrica: in un sistema chiuso, che non scambia materia con l'esterno, la somma algebrica delle cariche elettriche, cioè il numero di protoni diminuito del numero di elettroni, si mantiene coştante nel tempo. L'unità di misura della carica elettrica Nel Sistema Internazionale l'unità di misura della carica elettrica è il coulomb (C), dal nome dello scienziato francese Charles Augustin Coulomb. Mette in relazione l'unità di carica elettrica con la carica dell'elettrone. Tutti gli elettroni dell'Universo hanno la carica (negativa) -e--1,6022 x 10-1⁰ C. Quindi occorre il seguente numero di elettroni per ottenere una carica negativa di -1 C: -1 C -1.6022 x 10-19 C La carica elettrica si presenta sempre come un multiplo positivo o negativo della carica elettrica e, uguale al valore assoluto della carica dell'elettrone: e = 1, 6022 x 10-1⁹ C La carica elettrica dei conduttori Eseguiamo l'esperimento illustrato nella figura a lato. ● Prendiamo in mano un cucchiaio di metallo, strofiniamolo con un panno di lana e avvininiamolo a dei pezzetti di carta. Osserviamo che il cucchiaio non li attrae. Poi impugniamo il cucchiaio con un guanto di gomma e strofiniamolo di nuovo. Ora il cucchiaio è elettrizzato e attrae i pezzetti di carta. Tutti gli oggetti possono essere elettrizzati per strofinio, ma alcuni non trattengono la carica elettrica, come in questo caso del metallo. Conduttori e isolanti O = 6, 2414 x 1018 I materiali come la plastica, il vetro e la lana, che si elettrizzano sempre quando vengono strofinati, sono detti isolanti elettrici. Gli altri materiali, che si elettrizzano per strofinio solo se, tutto attorno, sono a contatto di materiali isolanti, sono detti conduttori elettrici, Esempi di conduttori sono i metalli e i tessuti del nostro corpo. Gli elettroni degli isolanti sono ben legati ai nuclei e restano confinati negli atomi. Nessuna carica microscopica (elettrone o ione) può allontanarsi con facilità dalla posizione di partenza. Invece i conduttori hanno le cariche microscopiche mobili. Nei metalli, in particolare, alcuni elettroni, detti elettroni di conduzione, sono liberi di scorrere. Elettrizzazione di un conduttore per contatto Sia gli isolanti sia i conduttori possono essere elettrizzati per strofinio. Un altro metodo per dare una carica elettrica a un conduttore è l'elettrizzazione per contatto: 0 Messo a contatto con un corpo elettrizzato che abbia una carica dell'uno o dell'altro segno, un conduttore acquista una carica dello stesso segno. O Immaginiamo che un conduttore carico negativamente e un conduttore neutro siano entrambi sorretti tramite supporti isolanti; O Quando mettiamo a contatto i due conduttori, una parte degli elettroni del primo passa al secondo, che a sua volta diventa negativo. L'elettroscopio L'elettroscopio è uno strumento che indica se un oggetto è carico. È formato da un'asta metallica verticale, collegata in alto a un pomello conduttore e in basso a due foglie conduttrici molto sottili. L'asta e le foglie sono chiuse in un recipiente di vetro che serve da protezione e da sostegno. ● Se il pomello viene e contatto con un oggetto elettrizzato, una parte della carica passa all'asta e si distribuisce fino alle foglie; Le foglie acquistano cariche dello stesso segno e si respingono; così, aprendosi ad angolo, segnalano che l'oggetto è elettrizzato. Un elettroscopio tarato in coulomb è uno strumento di misura tramite il quale possiamo definire la carica elettrica in modo operativo. Elettrizzazione di un conduttore per induzione Supponiamo che la carica dell'oggetto sia negativa. Allora gli elettroni mobili del pomello si allontanano il più possibile, fino alle foglie. Così le foglie si elettrizzano, entrambe con carica negativa, e si respingono l'una con l'altra. O Se vicino all'elettroscopio è posto invece un oggetto con carica positiva, gli elettroni vengono richiamati dalle foglie fino al pomello; le foglie restano cariche positivamente e, anche in questo caso, si respingono. La separazione delle cariche dei due segni che avviene in un conduttore a causa della vicinanza di un corpo elettrizzato è detta induzione elettrostatica. Per esempio, una bacchetta di plastica carica negativamente e una sfera conduttrice neutra, montata su un corpo supporto isolante: 0 Quando avviciniamo i due oggetti, la carica negativa della bacchetta respinge gli elettroni mobili contenuti nella sfera, che si accumulano nella parte più lontana. Se poi tocchiamo la sfera con un dito, questi elettroni si allontanano attraverso il nostro corpo, che li conduce fino a terra, dove si disperdono; Se infine togliamo prima il dito e poi la bacchetta, la sfera resta carica positivamente, perché gli elettroni che sono andati via non possono più tornare indietro. L'elettroforo di Volta L'elettroforo di Volta è una macchina inventata da alessandro Volta, composta da una base isolante e da un piatto metallico con manico isolante. Con questa macchina si ottengono rapidamente cariche elettriche da utilizzare negli esperimenti. Il suo utilizzo richiede i tre seguenti passaggi. Prima si elettrizza la base isolante per strofinio O ● ● poi si appoggia sulla base il piatto metallico. Se per esempio la base ha una carica negativa, la faccia inferiore del piatto diventa positiva per induzione elettrostatica e quella superiore diventa negativa. Infine si tocca il piatto con un dito o lo si collega a terra con un filo conduttore. Allora gli elettroni addensati sulla faccia superiore si allontanano e il piatto rimane carico positivamente. La legge di Coulomb Si chiama forza elettrica, quando due corpi interagiscono con una forza: due corpi elettrizzati si respingono o si attraggono a seconda che abbiano cariche dello stesso segno o segno opposto. La forza elettrica è sempre diretta lungo la retta che li congiunge, ma non ha sempre lo stesso verso. Ⓡ se le cariche dei due corpi sono entrambe positive o entrambe negative, i due vettori forza F e -F ( uguali e opposti per il terzo principio della dinamica) puntano verso l'esterno. se una delle cariche è positiva e l'altra negativa, i due vettori forza puntano verso l'interno: le forze sono attrattive e tendono a id avvicinare i corpi. Secondo la legge di Coulomb, la forza tra due cariche puntiforme Q: e Q₂ è: ▸ direttamente proporzionale a Q₁ e Qz; ● inversamente proporzionale al quadrato della distanza reciproca r. F = ko ko 8,99x10° Nxm²/C² Il vettore F rappresenta la forza della prima carica puntiforme sulla seconda in modulo, direzione e verso: ● F se Q. e Q₂ hanno lo stesso segno (positivo o negativo), allora il prodotto Q.Q₂ è positivo e la forza sulla seconda carica è nella direzione e nel Q1Qz 7² O Eo8,854 10-¹2 C²/N m . 4 F Q₁ F =G N + M₁M₂ qu² + 2₂ verso di r, ossia è repulsiva; se Q₁ e Q₂ hanno i segni opposti, allora il prodotto QQ₂ è negativo e la forza sulla seconda carica è nella direzione di r, ma ha verso opposto e quindi e attrattiva. La costante dielettrica nel vuoto In certi casi conviene scrivere la costante ko della legge di Coulomb nella seguente forma: 1 Απέρ ko = -> F = |2₁||Q₂l zu² F Q₂ 1 41EO Il simbolo & (è la lettera greca "epsilon") rappresenta la cosiddetta costante dielettrica del vuoto. F l₂ Forza elettrica e forza gravitazionale Il modulo della forza gravitazionale di Newton soddisfa un'equazione uguale alla legge di Coulomb: La forza elettrica di Coulomb e la forza gravitazionale di Newton sono simili perché: agiscono entrambe a distanza; O sono inversamente proporzionali al quadrato della distanza di Newton tra i due corpi interagenti; · sono direttamente proporzionali ai valori assoluti per i due corpi da una grandezza caratteristica, rispettivamente la carica e la massa. La differenza dalle due formule sono: la forza elettrica può essere attrattiva o repulsiva, invece la forza gravitazionale è sempre attrattiva perché la massa dei corpi è sempre positiva e su corpi neutri.