Carica elettrica

Con carica elettrica si intende una proprietà della materia di natura atomica che ha la capacità di generare forze elettriche, attrattive o repulsive, nell'interazione tra corpi. Le cariche elettriche sono generate, microscopicamente, dagli elettroni e dai protoni presenti negli atomi.

La prima parte del corso sull'elettricità è dedicata all'Elettrostatica. A partire da questa lezione studieremo i fenomeni elettrostatici e il punto di partenza è indubbiamente dato dalla nozione di carica elettrica.

Per comprendere che cosa sono le cariche elettriche, come si caratterizzano e da dove traggono origine, partiremo da un'osservazione "ingenua" degli effetti che determinano (forze elettriche attrattive e repulsive). Fatto ciò, tratteremo l'argomento in termini più precisi e scenderemo inevitabilmente al livello atomico della materia, dove inizieremo a comprendere perché i corpi sono dotati di carica elettrica e cosa determina i tre tipi di cariche elettriche: negativa, positiva o neutra.

Introduzione al concetto di carica elettrica

I fenomeni elettrici sono ovunque; ne sono degli esempi i fulmini, le lampadine che si accendono o ancora la scossa che prendiamo quando tocchiamo la carrozzeria di un'auto in giornate secche e ventose. Cercheremo di affrontare l'argomento un po' alla volta, così da arrivare a capire la natura dei fenomeni che abbiamo menzionato.

Fin dall'antichità l'umanità ha osservato che alcuni materiali, come ad esempio l'ambra, se strofinati con un panno acquisiscono la proprietà di attrarre la polvere e altri piccoli oggetti molto leggeri. Tale curiosa proprietà non è riscontrabile con un pezzo di ambra che non venga prima strofinato.

Lo stesso fenomeno non si osserva solamente con l'ambra, ma con una moltitudine di materiali diversi. I corpi che acquisiscono tale proprietà si dicono elettrizzati o carichi elettricamente, e la forza che tali corpi esercitano su altri corpi elettrizzati viene chiamata forza elettrica. La radice comune di questi termini deriva dal sostantivo greco "electron", che non a caso significa ambra.

Carica elettrica e materiali: forze repulsive e forze attrattive

Si osserva che, nei confronti del fenomeno di elettrizzazione, esistono due categorie di materiali.

Se prendiamo due bacchette di bachelite, le strofiniamo con un panno e le avviciniamo, possiamo osservare che esse si respingono, dunque ciascuna di esse esercita sull'altra una forza repulsiva che tende ad allontanarle. Se proviamo a ripetere lo stesso esperimento con due bacchette di vetro, dopo averle elettrizzate per strofinio con un panno e dopo averle avvicinate, anche in questo caso osserviamo che si respingono. Sembra quindi che i due materiali si comportino esattamente allo stesso modo.

Cosa succede invece quando avviciniamo due bacchette elettrizzate, di cui una di vetro e l'altra di bachelite? Tra le due bacchette si manifesta una forza attrattiva che le fa avvicinare.

Anche se non sappiamo ancora nulla della teoria delle cariche elettriche, reiterando l'approccio sperimentale con altri materiali possiamo trarre alcune conclusioni preliminari:

1) esistono due specie di materiali che si elettrizzano in modo diverso: la prima specie include tutti i materiali che si comportano come il vetro, la seconda quelli che si comportano come la bachelite;

2) tra due corpi fatti di materiali della medesima specie si esercita una forza repulsiva;

3) tra due corpi fatti di materiali di specie diversa si esercita una forza attrattiva.

Definizione di carica elettrica e tipi di cariche elettriche

Un materiale, quando viene elettrizzato, acquisisce una carica elettrica. Con l'espressione carica elettrica si intende la proprietà calcolabile e misurabile che un corpo deve avere per esercitare una forza elettrica e, al contempo, per essere soggetto a una forza elettrica.

Alla luce di quanto visto prima, si capisce che devono esistere due diverse tipologie di cariche elettriche. Si è così convenuto di chiamare:

1.A) carica elettrica positiva, la carica presente sui corpi che si comportano come il vetro quando viene elettrizzato;

1.B) carica elettrica negativa, la carica presente sui corpi che si comportano come la bachelite quando viene elettrizzata.

Possiamo allora ricorrere a tali definizioni per affermare che:

2) cariche elettriche dello stesso segno si respingono;

3) cariche elettriche di segno opposto si attraggono.

Queste osservazioni sono essenzialmente la base degli studi sull'elettricità. Come vedremo tra un istante l'esistenza dei due tipi di cariche - positiva e negativa - è una caratteristica intrinseca nella struttura fondamentale della materia.

Normalmente lo studio dell'elettricità si divide in due parti: la prima, detta Elettrostatica, si occupa di tutti i fenomeni in cui le cariche elettriche sono ferme (ed è da qui che partiremo); la seconda, detta Elettrodinamica, riguarda invece le cariche in movimento e in particolare la corrente elettrica.

Struttura atomica della materia e carica elettrica

Sappiamo che esistono due tipi di cariche elettriche: quelle positive e quelle negative. Va precisato che all'epoca dei primi studi sull'elettricità non si conosceva ancora l'esatta struttura della materia a livello atomico e subatomico: c'è voluto molto tempo prima che si arrivasse a comprendere come gli atomi formano la materia e, a loro volta, come sono costituiti gli atomi.

Al giorno d'oggi però la materia non ha più segreti a livello atomico e dunque possiamo affrontare lo studio delle cariche elettriche in modo completo. Sapere come sono fatti gli atomi ci aiuterà infatti a capire meglio i fenomeni che coinvolgono le cariche elettriche.

Cominciamo col dire che ogni atomo è formato da un nucleo e da particelle, gli elettroni, che si muovono nello spazio attorno ad esso. Il nucleo a sua volta è costituito da due tipi di particelle, i protoni e i neutroni.

Per quanto riguarda la massa degli atomi, protoni e neutroni sono particelle molto più massicce dell'elettrone, infatti:

- la massa dell'elettrone vale 9,11 · 10^-31 kg, o più precisamente

- la massa del protone e la massa del neutrone sono pressoché uguali, e valgono circa 1,67 Â· 10^-27 kg

Con un semplice calcolo si vede che il protone è circa 1800 volte più massiccio rispetto all'elettrone, cosicché servono 1800 elettroni per ottenere la massa di un protone. Da qui si capisce che la massa di un atomo è quasi interamente concentrata nel suo nucleo.

Consideriamo ad esempio l'atomo di carbonio, che è costituito da 6 protoni e 6 neutroni nel nucleo più 6 elettroni nello spazio attorno ad esso. La massa totale dell'atomo è data dalla somma tra la massa del nucleo e la massa totale degli elettroni

La massa totale dell'atomo di carbonio è dunque:

Il risultato è uguale in minima approssimazione alla massa del nucleo; gli elettroni in questo calcolo sono trascurabili.

Per quanto riguarda le dimensioni degli atomi:

- i raggi degli atomi, in generale, sono dell'ordine di 10^-10 metri, ossia 0,1 nanometri.

Tale valore è stato preso come riferimento per definire un'unità di misura che non appartiene al Sistema Internazionale, l'angstrom, denotata con il simbolo Å

- Il nucleo ha un raggio dell'ordine di 10^-15 m, che equivale ad un femtometro.

Ci sono dunque ben 5 ordini di grandezza di differenza tra il raggio del nucleo e il raggio dell'intero atomo. Per avere un'idea concreta, se il nucleo atomico fosse grande come una biglia allora l'intero atomo occuperebbe lo spazio di una sfera di raggio pari a un chilometro.

Tra gli elettroni che si muovono a distanza e il nucleo non c'è nulla. Questo significa che dal punto di vista di una particella subatomica la materia è sostanzialmente vuota.

Carica elettrica intrinseca di elettroni, protoni e neutroni

Abbiamo descritto due caratteristiche fondamentali di neutroni, protoni ed elettroni, vale a dire massa e dimensioni. Che dire a proposito della carica elettrica? Il motivo che ci ha spinto a scendere nel dettaglio della struttura atomica della materia per comprendere i fenomeni elettrici è dato dal fatto che elettroni, protoni e neutroni presentano una carica elettrica propria:

- l'elettrone ha carica negativa;

- il protone ha carica positiva;

- il neutrone, come si può intuire dal nome, è neutro e dunque non ha carica elettrica, il che equivale a dire che ha carica nulla. Il neutrone non è in grado di attrarre o respingere altre particelle perché non è in grado di generare forze elettriche, né di esserne attratto o respinto perché non risente della presenza di forze elettriche.

Se vogliamo quantificare la carica elettrica di elettroni, protoni e neutroni ci serve necessariamente un'unità di misura. A tal proposito l'unità di misura della carica elettrica utilizzata dal Sistema Internazionale è il coulomb, denotata con la lettera  

Prima del 2019 per fornire la definizione di coulomb avremmo dovuto servirci di concetti di elettrodinamica che affronteremo più avanti. La precedente definizione, infatti, si basava sulla nozione di intensità di corrente elettrica. Nel maggio 2019 la Comunità Scientifica Internazionale ha convenuto di modificare le definizioni di alcune unità di misura del Sistema Internazionale, tra cui per l'appunto il coulomb.

Questo cambio di rotta ha introdotto una notevole semplificazione concettuale: il valore assoluto della carica dell'elettrone, determinato empiricamente all'inizio del XX secolo e considerato come valore di carica elementare (simbolo e oppure q_e), è diventato il riferimento a partire dal quale viene definito il coulomb come unità di misura della carica elettrica.

La carica elettrica dell'elettrone si indica con le notazioni equivalenti e^-, -e o ancora -q_e, e il suo valore esatto viene convenzionalmente fissato a

1 coulomb è definito come il seguente multiplo della carica elementare:

La carica del protone ha il medesimo valore della carica dell'elettrone, ma con segno opposto e dunque positivo. Si denota con e⁺, +e o ancora con +q_e, ed è data da

Negli atomi di qualsiasi elemento della tavola periodica il numero di protoni nel nucleo (numero atomico) coincide con quello degli elettroni. Ciò implica che un atomo sia sempre elettricamente neutro nel suo complesso.

Un atomo di ossigeno ad esempio è costituito da 8 protoni e da 8 elettroni. Questo significa che per calcolare la carica totale dell'atomo dobbiamo moltiplicare per 8 la carica dell'elettrone, moltiplicare per 8 la carica del protone e sommare i due risultati:

Un atomo può assumere una carica elettrica soltanto quando diventa uno ione, cioè quando acquisisce o perde uno o più elettroni. In particolare abbiamo:

- uno ione negativo, quando un atomo acquisisce elettroni;

- uno ione positivo, quando un atomo perde elettroni.

Il valore numerico della carica elettrica di uno ione è pari alla carica totale degli elettroni persi o acquisiti.

Gli elettroni sono legati ai nuclei dei propri atomi da forze elettriche e tale legame può essere più o meno forte a seconda dell'elemento considerato. Se si fornisce a un elettrone la giusta quantità di energia, allora lo si può svincolare dal nucleo e renderlo libero di muoversi; è proprio alla mobilità degli elettroni che si devono alcuni metodi di elettrizzazione, nonché il passaggio di corrente elettrica.

Abbiamo gettato le basi per comprendere i fenomeni elettrostatici: come abbiamo visto, la loro origine risiede nella natura atomica della materia e nelle entità che costituiscono gli atomi. Attenzione a non sottovalutare i valori che abbiamo presentato nel corso della spiegazione, perché alcuni di essi sono vere e proprie costanti fisiche che ricorreranno spessissimo nello sviluppo della teoria e negli esercizi.

Nelle lezioni successive studieremo dapprima le nozioni di conduttore e isolante elettrico, e successivamente i vari metodi di elettrizzazione della materia. Nel frattempo per qualsiasi dubbio potete usare la barra di ricerca interna e reperire tutto quello che vi serve tra le migliaia di risposte e di esercizi svolti su YM. ;)

Buon proseguimento su YouMath,

Alessandro Catania (Alex)

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