Proprietà per cui alcuni corpi, strofinati con un panno di lana, o altra
sostanza, attirano gli oggetti leggeri, come pezzetti di carta, piume, capelli,
ecc. A questa proprietà, nota fin dai tempi antichi, fu dato il nome di
e., derivante da
electron, parola greca che significa ambra.
Infatti le prime esperienze di
e. furono eseguite strofinando con del
panno, o pelle animale, delle verghe di ambra. Esperienze condotte
successivamente hanno dimostrato che l'
e. non è una
proprietà esclusiva dell'ambra, ma di molti altri corpi. Se strofiniamo
due verghe di vetro con un panno noteremo che tra le due agisce una forza di
repulsione. Usando invece una verga di vetro e una verga di resina o plastica
opportunamente strofinate vedremo che tra le due verghe agisce una forza
attrattiva. Questi due semplici esperienze possono essere spiegate ammettendo
che esistano due stati elettrici, uno simile a quello acquistato nello strofinio
dal vetro e l'altro simile a quello acquistato dalla resina. Inoltre si deve
ammettere che fra stati elettrici simili agisca una forza repulsiva, fra stati
elettrici opposti una forza attrattiva. Secondo una convenzione del tutto
arbitraria ma universalmente accettata viene definito positivo lo stato
elettrico del vetro, negativo quello della resina. Viene definito elettricamente
neutro un corpo che non presenti alcuno dei due stati. ║
Conduttori ed
isolanti: gli atomi sono costituiti da particelle elettrizzate cariche di
e. positiva o negativa, distribuite in maniera da costruire un sistema
analogo a quello solare: le particelle con carica elettrica positiva
costituiscono il nucleo dell'atomo (sole del sistema), le particelle con carica
elettrica negativa (elettroni) ruotano attorno al nucleo come i pianeti attorno
al sole. Nell'atomo in condizioni normali (elettricamente neutro) la carica
elettrica positiva del nucleo è uguale in valore assoluto alla somma
delle cariche elettriche negative degli elettroni che gravitano attorno al
nucleo. Il numero degli elettroni gravitanti attorno al nucleo di un atomo varia
con la natura dell'elemento chimico: un elettrone per l'atomo d'idrogeno,
novantadue elettroni per l'atomo di uranio. Gravitando attorno al nucleo, gli
elettroni compiono orbite prestabilite chiamate anche
livelli o
strati
energetici. Se lo strato più esterno di un atomo è saturo,
cioè contiene il massimo numero di elettroni, l'atomo è
chimicamente inerte e gli elettroni periferici dell'atomo sono saldamente
vincolati al loro nucleo. Se invece lo strato più esterno di un atomo non
è completamente saturo è ovvio che per completare il numero di
elettroni l'atomo cederà o acquisterà elettroni da atomi
circostanti. La conducibilità elettrica di un corpo dipende dalla
possibilità che hanno gli elettroni periferici esterni di passare da un
atomo all'altro nel corpo. Dal punto di vista della conducibilità
elettrica, le diverse sostanze si possono raggruppare in due grandi categorie:
quella dei corpi isolanti o coibenti e quella dei corpi conduttori. Gli isolanti
hanno una configurazione atomica tale per cui ogni atomo trattiene stabilmente i
propri elettroni periferici ed è molto limitata la possibilità di
scambio di elettroni fra atomi contigui: appartengono a tale categoria il legno,
il vetro, la mica, il polistirene, ecc.; è evidente che un isolante
è tanto più pregiato quanto minore è la possibilità
di interscambio di elettroni. I conduttori hanno configurazioni atomiche tali
per cui gli elettroni periferici hanno possibilità di saltare da un atomo
all'altro. Appartengono a questa categoria tutti i metalli che sono i migliori
conduttori. Possiamo quindi concludere, per quanto detto sopra, che questi
elettroni sotto l'azione di forze di natura elettrica possono spostarsi in seno
ai conduttori in un movimento d'assieme, costituendo un flusso di elettroni
detto comunemente
corrente elettrica. ║
L'elettroscopio e la
legge di Coulomb: volendo definire un'unità di misura per la
grandezza elettrica, è necessario ricorrere al pur superato, ma
sufficientemente indicativo, elettroscopio. Composto da un recipiente di vetro
dove viene infilata un'asta metallica, isolata dal vetro per mezzo di sughero,
terminante all'interno con due striscioline di metallo (oro o argento), molto
leggere chiamate
foglie; all'esterno cioè all'estremità
superiore, l'asta termina con una sferetta metallica chiamata
pomo.
Toccando il pomo con un corpo elettrizzato, l'asta si carica e trasmette
l'elettrizzazione alle foglie, che caricandosi di
e. di ugual segno, si
respingono, scostandosi tanto più, quando maggiore è la carica
impressa. Servendosi di questo esperimento, il fisico francese Coulomb
(1736-1806) arrivò a misurare l'intensità della forza attrattiva o
repulsiva esistente tra due cariche puntiformi q
1, q
2.
Trovò inoltre che la forza stessa era direttamente proporzionale
all'ambiente in cui agiva, e quindi diversa risultava l'intensità se
l'esperienza veniva effettuata nell'aria, sotto vuoto o in altre circostanze.
║
Il campo elettrico: le esperienze eseguite da Coulomb, hanno
permesso di calcolare la forza che agisce tra due corpi elettrizzati, qualora le
loro dimensioni siano molto piccole rispetto alla loro distanza, in modo da
poter essere considerati puntiformi. La legge di Coulomb, che esprime la forza
agente tra due cariche elettriche q
1 e q
2 alla distanza r,
è espressa dalla formula
La difficoltà di ammettere che un corpo
possa agire a distanza, cioè anche là dove esso non si trova, ha
indotto a introdurre nello spazio di questi fenomeni il concetto di campo di
forze: campo di forza gravitazionale e campo di forza elettrica. Esiste una
sostanziale differenza tra i due casi: nel campo gravitazionale la forza
è indipendente dalla natura del mezzo interposto, non così nel
campo elettrico dove la forza dipende dal mezzo interposto. Queste constatazioni
inducono a spiegare i fatti nel seguente modo: la presenza di un corpo
elettrizzato (A) provoca nel mezzo circostante una modificazione, cioè
crea uno stato fisico diverso da quello che esisterebbe in assenza di
elettrizzazione. Se ad una data distanza r da A viene posto un altro corpo B
anch'esso elettrizzato, la forza che su di esso agisce può essere
considerata non dovuta all'azione a distanza di A, bensì come conseguenza
dello stato fisico del mezzo in cui esso si trova. In altri termini possiamo
definire campo elettrico quella regione di spazio il cui stato fisico è
tale da fare insorgere forze di natura elettrica sui corpi in esso presenti.
L'introduzione del campo di forza elettrica consente d'impostare e risolvere
matematicamente molti problemi relativi al comportamento di un corpo
elettrizzato in presenza di altri corpi elettrizzati, ma sin d'ora è
necessario far notare che il campo di forza non è un artificio normale o
descrittivo, bensì un ente fisico effettivamente associato ai corpi
elettrizzati. Se le cariche elettriche sono ferme, il campo si dirà
elettrostatico, se sono in movimento, elettrodinamico. ║
Intensità di un campo elettrico: lo stato fisico di un campo
elettrico è tale per cui un corpo elettrizzato, in qualunque punto si
ponga, viene sollecitato da una forza, che varia a seconda della quantità
di
e. e del suo segno, e infine dalla posizione del corpo. Onde avere una
visione generale delle forze agenti nei diversi punti di un campo elettrico,
è opportuno riferirsi sempre alla medesima carica, affinché la
forza sia funzione soltanto del punto in cui si trova il corpo. Per convenzione
la carica di prova che viene usata per l'esplorazione del campo è quella
unitaria positiva del sistema MKS; cioè il
coulomb. In tale modo
è possibile assegnare in ogni punto di un campo elettrico un vettore che
individui in direzione, intensità e verso la forza agente sulla carica di
1 coulomb posta in quel punto. Tale forza viene definita intensità del
campo elettrico in quel punto ed è solitamente indicata con il simbolo E.
Nel sistema MKS si misura in newton/coulomb. ║
Il potenziale
elettrico: riprendiamo ancora in considerazione il campo elettrico creato da
una superficie piana elettrizzata negativamente. Non deve stupire il fatto che
per le nostre dimostrazioni, ci riferiamo a questo campo, in quanto in esso la
forza elettrica si mantiene costante, e ciò facilita il calcolo del
lavoro e quindi dell'energia. Ciò premesso, calcoliamo il lavoro
necessario per portare la carica unitaria positiva nel punto A, ad una distanza
d dalla superficie del campo elettrico in opposizione alla forza interna F. Il
lavoro sarà quindi espresso dalla formula: L = - E
X
d
A dove E è l'intensità di campo elettrico, - E
è quindi la forza necessaria per vincere l'intensità di campo E.
Tale lavoro si definisce potenziale del campo nel punto A, e d'ora in poi lo
indicheremo con il simbolo V. In altri termini il lavoro compiuto per portare
una carica q da un punto A a un punto B è uguale al prodotto della carica
per la differenza di potenziale tra i due punti. è chiaro che solo se
esistono differenze di potenziale tra due punti di un corpo in grado di lasciar
passare cariche elettriche, esiste un flusso di tali cariche, cioè esiste
una corrente elettrica, e sono possibili tutte le applicazioni che noi ben
conosciamo della corrente stessa. ║
Unità di misura della
differenza di potenziale: tra due punti B e A di un campo elettrico, esiste
la differenza di potenziale di 1 volt se, per portare la carica di 1 coulomb da
A a B, la forza esterna, in opposizione a quella interna, deve compiere il
lavoro di 1 joule. Cioè:
Se nel punto A il potenziale è zero,
evidentemente la differenza di potenziale V
B - V
A
s'identifica con il potenziale nel punto B. Diremo allora che il potenziale in
un punto B di un campo elettrico è di 1 volt se per portare 1 coulomb in
quel punto, in opposizione alla forza elettrica interna, la forza esterna deve
compiere il lavoro di 1 joule.