La carica elettrica e le sue proprietà

La natura della carica elettrica e la legge di Coulomb

La carica elettrica è una proprietà intrinseca delle particelle subatomiche, quali elettroni e protoni, che determina le loro interazioni elettromagnetiche. Gli elettroni hanno una carica negativa, mentre i protoni hanno una carica positiva di uguale grandezza ma di segno opposto; i neutroni sono invece neutri. La carica elettrica si conserva e può essere trasferita tra corpi, risultando in un oggetto carico positivamente se perde elettroni, o negativamente se ne acquista. I materiali si distinguono in conduttori, che permettono il libero movimento delle cariche, e isolanti, che impediscono tale movimento. L'unità di misura standard della carica elettrica è il coulomb (C), equivalente a circa 6.242 x 10^18 volte la carica elementare, che è la carica di un singolo protone o elettrone. La legge di Coulomb quantifica la forza elettrostatica tra due cariche puntiformi, affermando che questa è direttamente proporzionale al prodotto delle cariche e inversamente proporzionale al quadrato della distanza che le separa, con una costante di proporzionalità k nel vuoto. La forza è attrattiva se le cariche sono di segno opposto e repulsiva se dello stesso segno.

Il campo elettrico e il flusso elettrico

Il campo elettrico è una rappresentazione dello spazio intorno a una carica elettrica che esercita una forza su altre cariche presenti. È definito come la forza elettrica per unità di carica e ha come unità di misura il newton su coulomb (N/C). Il campo generato da una carica puntiforme è radiale, con direzione che dipende dal segno della carica e la cui intensità decresce con il quadrato della distanza dalla carica. In presenza di un mezzo dielettrico, il campo elettrico è ridotto di un fattore pari alla costante dielettrica relativa del mezzo. Il campo elettrico risultante in un punto è la somma vettoriale dei campi prodotti da tutte le cariche presenti. Il flusso elettrico, che rappresenta il numero di linee di campo che attraversano una superficie, è dato dal prodotto scalare tra il campo elettrico e il vettore area. Per calcolare il flusso attraverso superfici curve o in presenza di campi non uniformi, si integra il campo elettrico su elementi infinitesimali di superficie. Il teorema di Gauss, un principio fondamentale dell'elettrostatica, afferma che il flusso netto del campo elettrico attraverso una superficie chiusa è proporzionale alla carica elettrica netta racchiusa all'interno della superficie.

Distribuzioni di carica e campo elettrico generato

La densità di carica è una misura della distribuzione di carica per unità di area (densità superficiale, misurata in C/m²) o per unità di lunghezza (densità lineare, misurata in C/m). Un piano infinito con densità superficiale di carica uniforme crea un campo elettrico costante e perpendicolare al piano, indipendentemente dalla distanza dal piano. Un filo infinitamente lungo con densità lineare di carica uniforme produce un campo elettrico radiale la cui intensità diminuisce con l'inverso della distanza dal filo. Per distribuzioni di carica con simmetria sferica, il campo elettrico all'esterno è come se fosse generato da una carica puntiforme situata al centro della distribuzione, mentre all'interno di una sfera carica il campo varia linearmente con la distanza dal centro, raggiungendo il valore zero al centro stesso.

Potenziale elettrico e superfici equipotenziali

Il potenziale elettrico è l'energia potenziale elettrica per unità di carica, che si misura in volt (V). Esso rappresenta il lavoro necessario per spostare una carica di prova da un punto di riferimento a un punto nel campo elettrico, indipendentemente dalla traiettoria seguita. Il potenziale generato da una carica puntiforme diminuisce con l'aumentare della distanza dalla carica. In un campo elettrico uniforme, il potenziale varia linearmente con la distanza. Le superfici equipotenziali sono insiemi di punti che hanno lo stesso potenziale elettrico e sono sempre perpendicolari alle linee di campo elettrico. Non si compie lavoro nel muovere una carica lungo una superficie equipotenziale. Il campo elettrico è il gradiente negativo del potenziale elettrico e, in quanto tale, la circuitazione del campo elettrostatico lungo un percorso chiuso è zero, confermando che il campo elettrostatico è un campo conservativo.