L’elettricità: da Talete all’elettromagnetismo
La storia dell’elettricità comincia molto prima dei circuiti, delle pile e dei motori. Già intorno al VI secolo a.C., il filosofo greco Talete di Mileto osservò un fenomeno curioso: un frammento di ambra, se strofinato con un panno, diventava capace di attirare piccoli corpi leggeri, come pagliuzze o pezzetti di materiale vegetale.
Il fenomeno non poteva essere spiegato come una semplice attrazione gravitazionale. L’ambra, infatti, prima dello strofinio non manifestava alcuna capacità particolare di attirare quei corpi. Qualcosa doveva essere cambiato nella sua condizione fisica.
Dal nome greco dell’ambra, elektron, deriva la parola elettricità. Per questo motivo l’esperienza dell’ambra strofinata può essere considerata una delle prime osservazioni storiche dei fenomeni elettrici.
Idea chiave
Un corpo strofinato può acquistare la capacità di attrarre piccoli oggetti. Questo comportamento è legato alla presenza e alla separazione delle cariche elettriche.
Le prime esperienze sull’elettricità
Nel corso dei secoli gli studiosi scoprirono che l’ambra non era l’unico materiale capace di elettrizzarsi mediante strofinio. Anche il vetro, la ceralacca, l’ebanite e molti altri materiali mostravano comportamenti analoghi.
Per studiare questi fenomeni veniva spesso utilizzato il cosiddetto pendolo elettrico, costituito da una piccola pallina leggera sospesa mediante un filo isolante.
Quando due pendoli venivano toccati con una bacchetta di vetro opportunamente strofinata, si osservava che essi tendevano a respingersi. Se invece uno dei due pendoli veniva elettrizzato con una bacchetta di ceralacca strofinata, i due pendoli si attraevano.
Queste osservazioni portarono alla conclusione che esistono due tipi diversi di carica elettrica.
Benjamin Franklin introdusse la convenzione ancora oggi utilizzata, assegnando il segno positivo alla carica del vetro e il segno negativo alla carica della ceralacca.
Cariche di segno opposto si attraggono.
Questo principio costituisce una delle leggi fondamentali dell’elettrostatica e permette di interpretare tutti i fenomeni osservati con il pendolo elettrico.
La carica elettrica: l’origine dei fenomeni elettrici
Ogni giorno osserviamo fenomeni legati all’elettricità: una scintilla quando togliamo un maglione di lana, i capelli che vengono attratti da un palloncino strofinato, il lampo di un fulmine durante un temporale o il funzionamento di uno smartphone.
Tutti questi fenomeni, apparentemente molto diversi tra loro, hanno una causa comune: la carica elettrica.
La carica elettrica è una proprietà fondamentale della materia e rappresenta il punto di partenza per comprendere l’intero elettromagnetismo. Senza carica elettrica non esisterebbero correnti, campi elettrici, circuiti, motori, dispositivi elettronici e gran parte della tecnologia moderna.
Dalle osservazioni alla struttura della materia
Gli esperimenti con l’ambra, il vetro, la ceralacca e il pendolo elettrico mostrarono chiaramente che la materia poteva manifestare due comportamenti elettrici opposti. Tuttavia, per molto tempo, non si conosceva ancora la causa microscopica di questi fenomeni.
Oggi sappiamo che l’origine dell’elettricità si trova nella struttura stessa dell’atomo.
Ogni atomo è formato da un nucleo centrale, che contiene protoni e neutroni, e da una nube di elettroni che si muovono attorno al nucleo.
In condizioni normali un atomo contiene lo stesso numero di protoni ed elettroni. Le cariche positive e negative si compensano e l’atomo risulta elettricamente neutro.
Idea chiave
Un corpo neutro non è privo di cariche: contiene cariche positive e negative in uguale quantità.
Quando un corpo si elettrizza, non vengono create nuove cariche dal nulla. In genere alcuni elettroni si trasferiscono da un corpo all’altro, producendo uno squilibrio tra cariche positive e negative.
Che cos’è la carica elettrica?
La carica elettrica è una proprietà fondamentale della materia che determina le interazioni elettriche tra particelle e corpi.
Le particelle cariche possono infatti esercitare forze di attrazione o di repulsione su altre particelle cariche.
Esistono due tipi di carica elettrica:
- carica positiva;
- carica negativa.
I protoni possiedono carica positiva, mentre gli elettroni possiedono carica negativa. I neutroni, invece, sono privi di carica elettrica.
Cariche di segno opposto si attraggono.
Quando un corpo possiede un numero maggiore di elettroni rispetto ai protoni, esso risulta caricato negativamente. Al contrario, quando il numero di protoni supera quello degli elettroni, il corpo risulta caricato positivamente.
Nella maggior parte dei fenomeni elettrici osservabili in laboratorio o nella vita quotidiana, sono gli elettroni a spostarsi da un corpo all’altro, mentre i protoni rimangono confinati all’interno dei nuclei atomici.
Il principio di conservazione della carica
Uno dei principi fondamentali della fisica afferma che la carica elettrica totale di un sistema isolato rimane costante.
Questo significa che la carica elettrica non può essere creata né distrutta, ma soltanto trasferita da un corpo a un altro.
Quando due corpi vengono strofinati, messi a contatto oppure sottoposti a induzione, non compaiono nuove cariche: alcuni elettroni si spostano modificando la distribuzione delle cariche già presenti nella materia.
Principio di conservazione della carica
In un sistema isolato la somma algebrica delle cariche elettriche rimane costante nel tempo.
Questo principio è stato verificato sperimentalmente in un enorme numero di fenomeni fisici e rappresenta una delle leggi fondamentali della natura.
L’unità di misura della carica elettrica
Nel Sistema Internazionale la carica elettrica si misura in coulomb, indicato con il simbolo C.
La carica elementare, cioè il valore assoluto della carica dell’elettrone e del protone, vale:
Il protone possiede carica positiva pari a +e, mentre l’elettrone possiede carica negativa pari a -e.
Un coulomb è una quantità molto grande di carica. Infatti una carica di 1 C corrisponde, in valore assoluto, a circa:
cariche elementari.
La quantizzazione della carica
Una proprietà fondamentale della carica elettrica è la sua quantizzazione.
Questo significa che ogni carica osservabile in natura è un multiplo intero della carica elementare:
n è il numero intero di elettroni trasferiti
ed e è la carica elementare.
Non si osservano quindi cariche isolate pari a metà della carica dell’elettrone o a un terzo di essa. Le cariche dei corpi macroscopici derivano sempre da un eccesso o da un difetto di un numero intero di elettroni.
Corpi neutri, positivi e negativi
Un corpo può trovarsi in tre condizioni principali:
Nei fenomeni elettrici ordinari sono quasi sempre gli elettroni a spostarsi, perché i protoni sono saldamente legati all’interno del nucleo atomico.
Conduttori e isolanti
I materiali non si comportano tutti allo stesso modo rispetto al movimento delle cariche elettriche.
Conduttori
Nei conduttori alcune cariche, in particolare gli elettroni, possono muoversi con grande facilità.
Sono buoni conduttori:
- rame;
- argento;
- alluminio;
- oro;
- grafite.
Per questo motivo i metalli vengono utilizzati nei fili elettrici e nei circuiti.
Isolanti
Negli isolanti gli elettroni sono fortemente legati agli atomi e non possono muoversi liberamente.
Sono buoni isolanti:
- plastica;
- vetro;
- gomma;
- ceramica;
- legno secco.
Gli isolanti sono fondamentali per proteggere le persone dal contatto con parti elettricamente attive.
L’elettrizzazione dei corpi
Un corpo si dice elettrizzato quando presenta uno squilibrio tra cariche positive e negative.
L’elettrizzazione può avvenire principalmente in tre modi:
- per strofinio;
- per contatto;
- per induzione.
Elettrizzazione per strofinio
L’elettrizzazione per strofinio avviene quando due materiali vengono sfregati tra loro e alcuni elettroni passano da un corpo all’altro.
Un esempio molto semplice è il palloncino strofinato sui capelli:
- il palloncino acquista elettroni e si carica negativamente;
- i capelli perdono elettroni e si caricano positivamente.
Poiché cariche di segno opposto si attraggono, i capelli vengono richiamati verso il palloncino.
Attenzione
Nello strofinio non si crea carica elettrica: si trasferiscono elettroni da un materiale all’altro.
Elettrizzazione per contatto
L’elettrizzazione per contatto avviene quando un corpo carico viene messo a contatto con un corpo neutro.
Durante il contatto una parte della carica può trasferirsi da un corpo all’altro. Alla fine i due corpi risultano caricati con cariche dello stesso segno.
Questo fenomeno è particolarmente evidente nei conduttori, nei quali gli elettroni possono spostarsi facilmente.
Elettrizzazione per induzione
L’elettrizzazione per induzione permette di modificare la distribuzione delle cariche in un corpo senza contatto diretto.
Se si avvicina una bacchetta carica a un conduttore neutro, le cariche presenti nel conduttore si ridistribuiscono:
- le cariche di segno opposto vengono attratte verso la bacchetta;
- le cariche dello stesso segno vengono respinte nella zona opposta.
Il corpo rimane complessivamente neutro, ma al suo interno compare una separazione di cariche.
Questo fenomeno sarà fondamentale per comprendere l’induzione elettrostatica, la polarizzazione e il funzionamento di dispositivi come l’elettroscopio.
La polarizzazione degli isolanti
Anche gli isolanti possono risentire della presenza di un corpo carico.
In un isolante gli elettroni non possono muoversi liberamente come in un metallo, ma le cariche all’interno degli atomi o delle molecole possono subire piccoli spostamenti.
Questo produce una separazione microscopica tra cariche positive e negative chiamata polarizzazione.
La polarizzazione spiega perché un oggetto carico può attirare piccoli pezzetti di carta, anche se la carta nel suo complesso è neutra.
Il fulmine: una gigantesca scarica elettrica
Durante i temporali all’interno delle nubi si accumulano enormi quantità di carica elettrica.
Quando la differenza di carica tra nube e suolo, oppure tra due nubi, diventa sufficientemente elevata, l’aria non riesce più a comportarsi da isolante e si verifica una scarica elettrica improvvisa: il fulmine.
Un singolo fulmine può trasportare correnti di decine di migliaia di ampere e sviluppare temperature superiori a quelle presenti sulla superficie del Sole.
Per proteggere edifici e persone si utilizzano i parafulmini, dispositivi metallici collegati al terreno che forniscono alla scarica un percorso sicuro verso il suolo.
Curiosità
Ogni secondo sulla Terra si verificano mediamente decine di fulmini. In un solo anno si contano diversi miliardi di scariche elettriche.
Applicazioni della carica elettrica
La carica elettrica non è soltanto un concetto teorico. Molte tecnologie utilizzate ogni giorno sfruttano direttamente i fenomeni elettrostatici.
Queste applicazioni dimostrano come fenomeni apparentemente semplici, come l’attrazione di piccoli frammenti di carta da parte di un oggetto elettrizzato, siano alla base di tecnologie estremamente avanzate.
Dalla carica alla forza elettrica
Finora abbiamo scoperto che le cariche elettriche possono attrarsi oppure respingersi. Tuttavia non tutte le interazioni elettriche hanno la stessa intensità: alcune sono molto deboli, mentre altre possono essere estremamente forti, come quelle che si manifestano durante un fulmine.
Da che cosa dipende la forza che agisce tra due cariche?
Gli esperimenti mostrano che l’intensità della forza elettrica dipende da tre fattori fondamentali:
- il valore delle cariche coinvolte;
- la distanza che le separa;
- il mezzo in cui le cariche si trovano.
Per descrivere quantitativamente questa interazione è necessaria una legge fisica precisa. Alla fine del XVIII secolo il fisico francese Charles-Augustin de Coulomb riuscì a determinare sperimentalmente come varia la forza elettrica tra due cariche puntiformi.
Nel prossimo capitolo studieremo la Legge di Coulomb, una delle leggi fondamentali dell’elettrostatica, che permette di calcolare il valore della forza di attrazione o repulsione tra due cariche elettriche.
In sintesi
- La carica elettrica è una proprietà fondamentale della materia.
- Esistono due tipi di carica: positiva e negativa.
- Cariche dello stesso segno si respingono, cariche di segno opposto si attraggono.
- La carica elettrica si conserva e non può essere creata o distrutta.
- Le cariche osservabili sono multipli della carica elementare.
- I materiali si distinguono in conduttori e isolanti.
- Un corpo può elettrizzarsi per strofinio, contatto o induzione.
- I fenomeni elettrostatici sono alla base di numerose applicazioni tecnologiche.
Verso la legge di Coulomb
Abbiamo scoperto che le cariche elettriche possono attrarsi oppure respingersi. Rimane però una domanda fondamentale:
Se due cariche si attraggono o si respingono, da che cosa dipende l’intensità della forza che agisce tra di esse? Dal valore delle cariche? Dalla distanza? Oppure da entrambi questi fattori?
La risposta verrà fornita dalla Legge di Coulomb, la prima grande legge quantitativa dell’elettrostatica, che permette di calcolare la forza di interazione tra due cariche elettriche.
