Carica Elettrica e Legge di Coulomb

Il punto di partenza dell'elettrostatica

Tutti i fenomeni elettrici nascono da una proprietà della materia: la carica elettrica. Esistono due tipi di carica — positiva e negativa — e tra corpi carichi agisce una forza descritta dalla legge di Coulomb. Questa è la prima di due lezioni sull'elettrostatica.

Concetto Chiave:

Cariche dello stesso segno si respingono, cariche di segno opposto si attraggono. L'intensità della forza segue una legge del tipo inverso del quadrato della distanza, come la gravitazione.

1. La Carica Elettrica

Descrizione: esistono due tipi di carica, e la carica totale è sempre un multiplo intero di una carica elementare.

Carica positiva e negativa
Quantizzazione: q = n · e, con e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C
L'unità di misura è il coulomb (C)

2. Attrazione e Repulsione

Descrizione: la regola fondamentale sul verso della forza tra due cariche.

Regola: cariche dello stesso segno si respingono, cariche di segno opposto si attraggono. La forza è sempre diretta lungo la retta che unisce le due cariche.

3. La Legge di Coulomb

Descrizione: l'intensità della forza tra due cariche puntiformi.

Formula: F = k · q₁q₂ / r², con k ≈ 9 × 10⁹ N·m²/C². La forza cresce con il prodotto delle cariche e diminuisce con il quadrato della distanza.

4. Un Esempio Numerico

Descrizione: calcoliamo la forza tra due cariche note a una data distanza.

Dati: q₁ = 2 μC, q₂ = 3 μC, r = 0,1 m

F = 9 × 10⁹ · (2 × 10⁻⁶)(3 × 10⁻⁶) / (0,1)²
F = 9 × 10⁹ · 6 × 10⁻¹² / 10⁻²
F = 5,4 N (repulsiva: cariche entrambe positive)

5. Analogia con la Gravitazione

Descrizione: la legge di Coulomb ha la stessa struttura della legge di gravitazione universale di Newton.

Confronto:

Forza elettrica: F = k · q₁q₂ / r²
Forza gravitazionale: F = G · m₁m₂ / r²

Entrambe vanno come 1/r², ma la forza elettrica può attrarre o respingere, mentre la gravità può solo attrarre.

Riepilogo

I fondamenti dell'elettrostatica:

Due cariche: positiva e negativa, quantizzate (q = n·e)
Verso della forza: uguali si respingono, opposte si attraggono
Legge di Coulomb: F = k · q₁q₂ / r²
Analogia: stessa forma della gravitazione (1/r²)

Nella prossima lezione introdurremo il campo elettrico e le linee di campo, il modo moderno di descrivere come una carica influenza lo spazio attorno a sé.