Formulario di fisica: la carica elettrica
La carica elettrica è uno dei concetti fondamentali della fisica, perché coinvolge una vasta gamma di fenomeni, dalla forza che mantiene gli elettroni in orbita intorno al nucleo di un atomo, alla scintilla prodotta quando ci si strofina i piedi sul tappeto e si tocca un oggetto metallico. Sin dai primi esperimenti, quando i filosofi dell’antica Grecia si accorsero che strofinando l’ambra essa attirava piccoli oggetti, l’uomo ha cercato di comprendere questa forza invisibile. Con l’evolversi del tempo e la progressiva sistematizzazione delle conoscenze, la scienza ha iniziato a rivelare i segreti della carica elettrica, svelando le formule matematiche che governano il suo comportamento.
Le cariche elettriche giocano un ruolo cruciale nella fisica in generale e sono state a lungo oggetto di studio. Sono alla base della chimica, determinando come gli atomi si legano tra loro per formare molecole; sono essenziali nella biologia, guidando i processi cellulari e le funzioni neurali; e, naturalmente, sono al cuore dell’ingegneria elettrica e della tecnologia moderna, dalla lampadina all’ultimo smartphone. Poiché queste formule e principi sono così intrinsecamente legati alla nostra vita quotidiana, è essenziale comprenderli in profondità. Vediamo insieme le formule principali!
Cos’è la carica elettrica
La carica elettrica, fondamentalmente, è una proprietà intrinseca della materia che determina le sue interazioni elettromagnetiche. Gli atomi, che potremmo considerare come i mattoni costitutivi della materia, sono composti da particelle subatomiche: protoni, neutroni ed elettroni. Di queste, protoni ed elettroni possiedono cariche elettriche: positive per i protoni e negative per gli elettroni.
Le interazioni tra cariche sono regolate da una delle quattro forze fondamentali dell’universo: la forza elettromagnetica. Questa forza opera su principi ben definiti: cariche dello stesso segno si respingono, mentre cariche di segno opposto si attraggono.
L’unità con cui misuriamo la carica elettrica è il Coulomb, in onore di Charles-Augustin de Coulomb. Ma perché un Coulomb? Questa unità non è stata scelta a caso. Coulomb ha svolto esperimenti meticolosi, utilizzando una bilancia di torsione, per quantificare le interazioni tra cariche elettriche, culminando nella formulazione della legge di Coulomb. Questa legge è stata una pietra miliare nel campo dell’elettrostatica, fornendo una descrizione quantitativa delle forze tra cariche stazionarie. Un Coulomb, come unità, rappresenta una mole colossale di cariche base: per esempio, ci vogliono circa 6,242×1018 elettroni per accumulare una carica negativa di un Coulomb!
Formule sulla carica elettrica
La carica elettrica è una caratteristica dei corpi e può essere positiva o negativa.
L’unità di misura della carica nel S.I. è il Coulomb £$(C)$£ e la quantità elementare di carica è uguale in valore assoluto alla carica dell’elettrone: £$e=1,602\cdot 10^{-19} \, C$£.
Le cariche presenti in natura sono tutte multipli interi della quantità elementare di carica, cioè la carica è quantizzata: £$Q=ne$£.
Principio di conservazione della carica: la carica si conserva; la carica totale in un sistema isolato non cambia, cioè la somma algebrica delle cariche positive e negative è costante.