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Carica elettrica Propietà della materia Posseduta da: Elettroni (e - ) Protoni (e + )
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Carica elettrica
Propietà della materia
Posseduta da:
Elettroni (e-) Protoni (e+)
La carica del protone o dell’elettrone sono cariche elementari cioè sono le più piccole possibili e non sono divisibili.
Ogni altra carica è multipla della carica elementare, cioè qualunque altra carica è del tipo
Q = n ( e)con n numero naturale
PRINCIPIO DI QUANTIZZAZIONE DELLA CARICA
A conferire la proprietà «carica elettrica» ai corpi estesi è sempre uno squilibrio di cariche: se il numero di elettroni che esso contiene non è uguale al numero di protoni
In condizioni normali il numero di protoni è uguale al numero degli elettroni per cui la carica totale dell’atomo è zero, l’atomo risulta elettricamente neutro.
In condizioni normali i corpi estesi non hanno carica elettrica perché il numero di protoni è uguale al numero degli elettroni
UN CORPO CHE POSSIEDE UNA CARICA ELETTRICA NON NULLA SI DICE ELETTRIZZATO
L’elettrizzazione consiste semplicemente nel modificare l’equilibrio tra cariche positive e cariche negative presenti nel
corpo
ISOLANTI E CONDUTTORI
Isolanti o Dielettrici.
Negli isolanti gli elettroni sono legati al nucleo da cui non riescono a staccarsi o se ne staccano in numero molto limitato.
Sono i corpi in cui la carica elettrica rimane localizzata nella zona in cui è stata prodotta, le cariche non possono muoversi nel
corpo.
Esempi: ambra, vetro, legno, ceramica, materie plastiche in genere, …..
Conduttori.
Nei conduttori gli elettroni più esterni non sono vincolati al nucleo per cui riescono a sfuggire con estrema facilità (elettroni
di conduzione).
Nei conduttori la carica elettrica prodotta o fornita in un punto può muoversi liberamente in tutto il corpo. Allora si
distribuisce su tutta la superficie perché le cariche dello stesso segno respingendosi si portano il più lontano possibile.
Esempi: ferro, rame, argento, in genere tutti metalli.
Un corpo conduttore può essere soggetto a induzione elettrostatica
Si avvicina un corpo carico a un conduttore scarico.Le cariche libere del conduttore si muovono: si creano due zone cariche di segno opposto, una più vicina e una più lontana.
N.B. a muoversi sono sempre e solo le cariche negative
Mediante induzione si può caricare in modo permanente un corpo
Come mai anche piccoli oggetti neutri vengono attratti da un corpo carico?.
POLARIZZAZIONE
Se invece avviciniamo la sbarretta carica positivamente ad un isolante neutro, le cariche elettriche non si sposteranno, ma osserveremo comunque una carica negativa nella
parte del corpo più vicina alla bacchetta carica e positiva nella parte più lontana:
a cosa è dovuto questo fenomeno, visto che le cariche non si spostano?
POLARIZZAZIONE
Negli Isolanti il fenomeno è dovuto alla polarizzazione.
Polarizzazione per deformazione: gli atomi più vicini alla superficie dell’isolante, sotto l’azione di un corpo carico, si deformano in seguito allo stiramento delle
orbite degli elettroni.
Atomo normale
Atomo polarizzato
gli atomi del corpo si deformano sotto l’azione della carica esterna, gli elettroni sono attratti dalla sbarretta e i protoni ne sono respinti.
- +- +- +
- +
- +- +
- +- +
- +
- +- +
- +- +
- +
- +
- +- +
- +- +
- +- +
Osserveremo quindi una carica negativa nella parte del corpo più vicina alla carica indicente e una carica positiva nella parte più lontana, e di conseguenza i due corpi si attirano
Legge di Coulomb: La forza con cui interagiscono due cariche puntiformi è diretta lungo la retta congiungente le due cariche,
è repulsiva se le cariche sono concordi,
attrattiva se sono discordi,
è direttamente proporzionale al prodotto delle cariche q1q2,
inversamente proporzionale al quadrato della distanza R2
e
dipende dal dielettrico, cioè il mezzo interposto tra le cariche.
221.
Rqq
kF
k = 8,99 109
9 109 Nm
2/C
2 costante di Coulomb nel vuoto
LA LEGGE DI COULOMB - ELETTROSTATICA
Prof Biasco 2006
La legge di Coulomb - Elettrostatica
Nel vuoto la costante k può essere espressa nella forma
Dove 0 = 8,85 1012
C2
/(N m2
) costante dielettrica del vuoto. N.B. il valore di non dipende dal mezzo, ma solo dalle unità
di misura adottate.
041
k
Per cui la forza d’interazione elettrostatica può essere scritta anche in questo modo:
221
02
21
41
Rqq
Rqq
kF
La legge di Coulomb - Elettrostatica
Se le cariche si trovano in un dielettrico vuoto la forza F con cui esse interagiscono è inferiore alla forza F0 che si avrebbe nel vuoto.
F < F0
Ciò è dovuto agli effetti della polarizzazione del dielettrico interposto. Il rapporto F0 / F = r > 1 è costante e caratteristico del dielettrico
r costante dielettrica relativa del mezzo
Quindi, la forza d’interazione elettrostatica in un dielettrico è data da:
221
0
0
41
RqqF
Frr
LA LEGGE DI COULOMB - ELETTROSTATICA
Esempio L’elettrone si muove su un’orbita circolare intorno al protone fermo. La forza responsabile del moto circolare dell’elettrone è la forza
di attrazione tra protone ed elettrone.
Dato che il raggio dell’orbita dell’elettrone è 5,29 1011
m, che la massa dell’elettrone è 9,1 1031
kg, la massa del protone è 1,67 1027
kg
calcolare il rapporto tra forza elettrostatica e gravitazionale e la velocità dell’elettrone.
Calcoliamo la forza d’interazione elettrostatica tra elettrone e protone:
Nm
CCCmNr
qqkFe
8211
1919229
221 1082,8
1029,5
1060,11060,1)/(109
F e
v
+
-
F e
v
+
-
La legge di Coulomb - Elettrostatica
Calcoliamo la forza d’interazione gravitazionale tra elettrone e protone:
N
m
kgkgkgmNr
mmGFg
47211
27312211
221 1062,3
1029,5
1067,11011,9)/(1067,6
Calcoliamo il rapporto tra le due forze:
3947
8
1026,21062,31082,8
NN
FF
g
e
LA LEGGE DI COULOMB
Oss. L’interazione elettrostatica è enormemente più grande della forza gravitazionale, per cui, a livello atomico le forze
gravitazionali sono assolutamente irrilevanti.
Non così a livello astronomico dove è predominante la forza gravitazionale:
- i corpi nel loro complesso sono neutri per cui la forza elettrostatica non ha alcun effetto.
- le masse sono molto grandi.
Calcoliamo la velocità con cui l’elettrone ruota attorno al nucleo.
Poiché la forza centripeta è data dalla forza elettrostatica avremo che:
mrF
v cui dar
vmF ee
2
PRINCIPIO DI SOVRAPPOSIZIONE
Supponiamo di avere un sistema formato da quattro cariche puntiformi: q1, q2, q3, q4 (fig.). Vogliamo calcolare (per esempio) la
forza che agisce sulla carica q2 dovuta alla sua interazione con le altre tre cariche.
Come determinare la forza d’interazione quando le cariche elettriche sono più di due?
q 1
q 2
q 3
q 4+
+
+
-
PRINCIPIO DI SOVRAPPOSIZIONE
Determiniamo le forze: • F21 dovuta all’interazione tra le cariche 1 e 2,• F23 interazione tra le cariche 2 e 3, • F24 dovuta all’interazione tra le cariche 2 e 4.
q 1
q 2
q 3
q 4+
+
+
-
F21
F24
F23
