Cariche di segno discorde si attraggono (forza attrattiva)

Un corpo si dice elettricamente stabile quando, quello stesso corpo, ha ugual numero di elettroni ed elettroni: esiste -appunto- un equilibrio.

A parte qualche eccezione, ogni corpo si trova in equilibrio elettrico, per cui per passare ad un stato elettricamente attivo, è necessario che gli venga fornita carica elettrica. Cosa si intende per "rendere un corpo elettricamente attivo"? Si tratta, grazie a particolari processi induttivi che vedremo più avanti, di "sbilanciare" l'equilibrio descritto prima. Così facendo, potremo attribuire al corpo una carica elettrica, positiva o negativa a seconda del rapporto tra elettroni e protoni.

Quali sono i metodi per elettrizzare un corpo? Esistono tre modi:

1. Per strofinio:

La parola "electron" è greca e significa ambra. Ciò ci induce a pensare che già nell'antica Grecia si sapesse che strofinando un pezzo d'ambra, questo acquisti delle proprietà elettriche. Infatti fu proprio Democrito (filosofo e scienziato greco) il pioniere  in questo campo. Anche oggi sappiamo che strofinando un pezzo d'ambra o per esempio un biro, questa si elettrizza. Ciò avviene perché, grazie allo strofinio, gli elettroni della biro vengo sottratti alla biro stessa da parte del polietilene su cui la si strofina! Viene quindi a crearsi il solito disequilibrio tra protoni ed elettroni; il risultato è che la biro è in grado di attirare a se corpi leggeri come capelli, polvere, piccoli pezzi di carta ecc.

Per contatto

Se un corpo caricato elettricamente viene messo a contatto con corpo neutro, questo corpo riceve parte della carica del corpo che era elettricamente attivo. Questo processo chiamato "elettrizzazione per contatto", proprio grazie perché al contatto di due corpi con cariche diverse, taluni elettroni (elettroni di conduzioni) trasferiscono la carica da un corpo all'altro. La quantità di carica acquistata dal corpo indotto è esattamente equivalente alla quantità di carica che è stata ceduta dal corpo induttore.

Come risultato finale si otterrà un forza repulsiva tra i due corpi, aventi questi carica dello stesso segno.

3. Per induzione

Si consideri i due elettrodi di un candela: non esiste contatto tra essi! Nonostante ciò, la "parte" che possiede più quantità di carica (corpo induttore) ne cede al crpo la cui carica è relativamente bassa (corpo indotto). Questo è il principio dell'induzione elettrica: infatti anche se non c'è contatto, esiste comunque un "fluire" di energia elettrica da un corpo all'altro. Il criterio con cui questa energia fluisce è piuttosto semplice: si tende ad eliminare la differenza di potenziale elettrico, ciò ogni volta che esiste una differenza di quantità di carica il processo induttivo "provvede" ad eliminare questo dislivello energetico.

Considerazioni personali:

Come abbiamo già osservato, quando una carica elettrica si sposta da un corpo A ad un altro corpo B, è necessario dire che la somma tra la quantità di carica del corpo A e i corpo B (q_A + q_B)è sempre costante. Esiste un analogia con il primo principio della termodinamica: la somma dell'energia utile, in un sistema isolato, è sempre costante.

Quindi la carica totale presente nel sistema è sempre costante.

Strumenti per le misurazioni elettriche

Gli strumenti utilizzati per la misurazione di una quantità di carica elettrica posseduta da un corpo sono:

Il pendolino elettrico

Questo strumento è formato da un filo, a cui è appesa un pallina in materiale molto leggero; questa pallina, però, deve essere sensibile ai campi elettrici. Sarà quindi necessario rivestirla di un sottile strato di stagnola. E' risaputo che, in stato di quiete, la posizione è immobile; mentre quando le viene avvicinato un corpo elettricamente attivo, esisterà -tra la sferetta e il corpo stesso- un forza di tipo attrattiva o repulsiva, a seconda del tipo delle cariche possedute dai due corpi. Sarà quindi possibile determinare la carica di un corpo, conoscendo quella della sferetta appesa al filo.

Diversamente se sarà la carica della sferetta a rappresentare l'incognita, basterà avvicinare un corpo la cui carica sia nota.

L'elettroscopio

Un'astina metallica è "immersa" per metà in un'ampolla di vetro. Sull' estremo superiore di questa astina, è fissata un pallina; all'altra estremità siano fissate due alette d'oro. Si consideri l'attrito tra le due bacchette dorate, prossimo a zero. Ogni volta che si avvicina un corpo non neutro all'elettroscopio, la carica di questo stesso corpo, passando attraverso l'astina metallica che collega i due estremi, si trasferisce alle due alette. Distribuendosi la carica uniformemente, le due alette possederanno la stessa quantità di carica. A causa della forza repulsiva, le due alette divergono. Un elettroscopio carico positivamente, può essere sfruttato per sapere se la carica di un altro corpo è positiva o negativa. Infatti se anche il secondo corpo avarà carica negativa, le due alette tenderanno ancora con più forza a divergere, ad allontanarsi l'una dall'altra. Se invece il secondo corpo possiede carica negativa, l'elettroscopio torna alla posizione iniziale, visto che la carica negativa del corpo e quella positiva dell'elettroscopio si elidono a vicenda.

Conduttori e isolanti

Esistono due tipi di materiali classificati in base al loro comportamento quando vengono sottoposti ad una carica elettrica: gli isolanti ed i conduttori. Nei conduttori la carica elettrica si propaga lungo tutto il corpo, mentre negli isolanti , la carica "muore" nel punto in cui applicata. Queste proprietà sono dovute alla caratteristica molecolare dei singoli componenti.

Legge di Coulomb

Sapendo che due cariche si attraggono (o si respingono), è necessario valutare con quale forza si attraggono (o respingono). Possiamo dire che questa forza tra due cariche ha le stesse proprietà di un vettore. Chiamiamo F_a questo vettore. Potremo dire che questo vettore ha come

Direzione la retta passante per i due punti q₁ e q₂ che rappresentano i due corpi aventi cariche non neutre.

Verso determinato dalla principio esposto in precedenza: se i segni delle cariche saranno concordi i due punti tenderanno ad allontanarsi; se, invece, i segni sono concordi le cariche tenderanno ad avvicinarsi.

Modulo il risultato della legge di Coulomb. Questa equazione infatti, note la distanza (d) espressa in cm e la quantità di carica dei due corpi, ci permette di trovare la forza (F) espressa in Newton, che esiste tra i due corpi stessi. Questa forza rappresenta proprio il modulo del vettore che ha come estremi i corpi. E' necessario dire che il risultato è valido se le dimensioni delle sferette sono piccole rispetto alla distanza tra i loro centri: quindi si usa dire che i corpi sono puntiformi. Le forze interagiscono tra loro sondo la relazione:

F ∞ 1/r²

Quindi la forza è inversamente proporzionale al quadrato della distanza! A tale proposito diventa facile arrivare a questa conclusione osservando il grafico che segue:

Oltre ad essere (inversamente) proporzionale alla distanza, la forza è anche proporzionale al prodotto della quantità di carica dei due corpi in questione. Infatti è intuitivo pensare che maggiore sarà la carica elettrica, e maggiore sarà la forza attrattiva (o repulsiva). Essendo quindi

F proporzionale alla distanza e allo stesso tempo al prodotto delle cariche potremo dire che la formula finale sarà

k rappresenta la costante dielettrica, cioè un coefficiente che varia a seconda di dove venga proposto l'esperimento. Nel vuoto questo valore vale 9 x 10⁹ N! esiste quindi una specifica costante dielettrica a seconda di dove ci si trova, per esempio nell'acqua, nell'atmosfera ecc.

La legge di Coulomb viene enunciata nel seguente modo:

La forza (attrattiva o repulsiva) tra due cariche elettriche è inversamente proporzionale alla distanza che le divide e direttamente proporzionale al prodotto della quantità delle cariche elettriche.

L'unità di misura detta "coulomb" che si indica con C può essere definita come una forza che attira o respinge una carica a se equivalente, posta ad un metro di distanza nel vuoto con una forza pari a 9 x 10⁹ N.