Conduzione elettrica nei materiali

Conduzione elettrica nei materiali: isolanti, conduttori e semiconduttori

I materiali si classificano in isolanti, conduttori e semiconduttori a seconda della loro capacità di condurre cariche elettriche. Gli isolanti, come la bachelite, la gomma, il vetro e la plastica, hanno una resistenza elevata al passaggio delle cariche elettriche, come dimostrato dall'esperimento in cui una bacchetta di bachelite strofinata con seta si elettrizza solo in prossimità della zona di strofinio, senza trasferire la carica lungo il materiale. I conduttori, come i metalli, hanno una bassa resistenza al flusso di cariche elettriche, permettendo un rapido trasferimento di elettroni, come si osserva quando un elettroscopio metallico viene avvicinato a una bacchetta di vetro elettrizzata e le sue foglie si separano a causa della redistribuzione delle cariche. I semiconduttori, come il germanio e il silicio, hanno proprietà elettriche che li collocano tra gli isolanti e i conduttori, e la loro conduttività può essere notevolmente aumentata attraverso processi di drogaggio.

Elettrizzazione dei conduttori: contatto e induzione

I conduttori possono essere elettrizzati mediante contatto o induzione. L'elettrizzazione per contatto si verifica quando un conduttore viene toccato da un oggetto carico, trasferendo parte della carica elettrica al conduttore, come nel caso di una sferetta di alluminio che, a contatto con una bacchetta di vetro elettrizzata, acquisisce una carica dello stesso segno. L'elettrizzazione per induzione avviene quando un corpo carico viene avvicinato a un conduttore senza toccarlo, causando una separazione delle cariche all'interno del conduttore: le cariche di segno opposto si attraggono verso il corpo carico, mentre quelle di segno uguale si respingono. Se il conduttore viene poi messo a terra, le cariche in eccesso possono defluire, lasciando il conduttore con una carica netta di segno opposto a quella del corpo che ha causato l'induzione.

La legge di Coulomb e la forza elettrica

La legge di Coulomb quantifica la forza elettrica tra due cariche puntiformi. Essa stabilisce che la forza è direttamente proporzionale al prodotto delle cariche e inversamente proporzionale al quadrato della distanza che le separa. La forza è attrattiva se le cariche sono di segno opposto e repulsiva se dello stesso segno. La costante di proporzionalità è la costante elettrostatica k0 nel vuoto, mentre in un mezzo materiale la forza è ridotta a causa della presenza della costante dielettrica relativa del mezzo. Il principio di sovrapposizione afferma che la forza totale su una carica è la somma vettoriale delle forze esercitate da tutte le altre cariche presenti nel sistema.

Analogie e differenze tra forza elettrica e gravitazionale

La forza elettrica e la forza gravitazionale sono entrambe forze di campo che agiscono a distanza e la cui intensità decresce con il quadrato della distanza tra le masse o le cariche. Tuttavia, la forza gravitazionale è sempre attrattiva e agisce tra masse, mentre la forza elettrica può essere attrattiva o repulsiva e agisce tra cariche elettriche. La forza elettrica è inoltre molto più intensa della forza gravitazionale. Queste differenze sono fondamentali: la gravità è la forza dominante nelle interazioni su scala cosmica, mentre la forza elettrica è preponderante a livello atomico e molecolare, determinando la struttura della materia e le reazioni chimiche.