UN punto di carico, Nel contesto dell'elettromagnetismo, è quella carica elettrica di dimensioni così piccole che può essere considerata un punto. Ad esempio, le particelle elementari che hanno una carica elettrica, il protone e l'elettrone, sono così piccole che le loro dimensioni possono essere omesse in molte applicazioni. Considerare che una carica è orientata al punto rende molto più facile il calcolo delle sue interazioni e la comprensione delle proprietà elettriche della materia..
Le particelle elementari non sono le uniche che possono essere cariche puntiformi. Così possono essere le molecole ionizzate, le sfere cariche che Charles A. Coulomb (1736-1806) usò nei suoi esperimenti e persino la Terra stessa. Tutte possono essere considerate cariche puntuali, purché le vediamo a distanze molto maggiori delle dimensioni dell'oggetto..
Poiché tutti i corpi sono fatti di particelle elementari, la carica elettrica è una proprietà intrinseca della materia, proprio come la massa. Non puoi avere un elettrone senza massa, né puoi avere nessuna carica.
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Per quanto ne sappiamo oggi, ci sono due tipi di carica elettrica: positiva e negativa. Gli elettroni hanno una carica negativa, mentre i protoni hanno una carica positiva..
Le cariche dello stesso segno respingono, mentre quelle del segno opposto si attraggono. Questo vale per qualsiasi tipo di carica elettrica, puntuale o distribuita su un oggetto di dimensioni misurabili..
Inoltre, accurati esperimenti hanno verificato che la carica del protone e quella dell'elettrone hanno esattamente la stessa grandezza..
Un altro punto molto importante da considerare è che la carica elettrica è quantizzata. Ad oggi, non sono state trovate cariche elettriche isolate di grandezza inferiore alla carica dell'elettrone. Sono tutti multipli di questo.
Infine, la carica elettrica viene conservata. In altre parole, la carica elettrica non viene né creata né distrutta, ma può essere trasferita da un oggetto a un altro. In questo modo, se il sistema è isolato, il carico totale rimane costante..
L'unità di carica elettrica nel Sistema Internazionale di Unità (SI) è il Coulomb, abbreviato con la C maiuscola, in onore di Charles A. Coulomb (1736-1806), che scoprì la legge che porta il suo nome e descrive l'interazione tra due punti di carica. Ne parleremo più tardi.
La carica elettrica dell'elettrone, che è la più piccola possibile che può essere isolata in natura, ha una grandezza di:
e- = 1,6 x 10 -16 C
Il Coulomb è un'unità abbastanza grande, quindi i sottomultipli vengono spesso utilizzati:
-1 milli C = 1 mC = 1 x 10-3 C
-1 micro C = 1 μC = 1 x 10-6 C
-1 nano C = 1 nC = 1 x 10-9 C
E come abbiamo accennato prima, il segno di e- è negativo. La carica del protone ha esattamente la stessa grandezza, ma con segno positivo.
I segni sono una questione di convenzione, cioè ci sono due tipi di elettricità ed è necessario distinguerli, quindi a uno viene assegnato un segno (-) e l'altro segno (+). Benjamin Franklin ha fatto questa designazione e ha anche enunciato il principio di conservazione della carica..
All'epoca di Franklin, la struttura interna dell'atomo era ancora sconosciuta, ma Franklin aveva osservato che una bacchetta di vetro strofinata con la seta si caricava elettricamente, definendo questo tipo di elettricità positiva..
Qualsiasi oggetto che fosse attratto da detta elettricità aveva un segno negativo. Dopo che l'elettrone è stato scoperto, è stato osservato che la bacchetta di vetro carica li ha attratti, ed è così che la carica dell'elettrone è diventata negativa.
Alla fine del XVIII secolo, Coulomb, un ingegnere dell'esercito francese, trascorse molto tempo a studiare le proprietà dei materiali, le forze che agiscono sulle travi e la forza di attrito..
Ma è meglio ricordato per la legge che porta il suo nome e che descrive l'interazione tra due cariche elettriche puntiformi.
Sia due cariche elettriche che cosa1 Y che cosaDue. Coulomb stabilì che la forza tra di loro, attrazione o repulsione, era direttamente proporzionale al prodotto di entrambe le cariche e inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra di loro..
Matematicamente:
F∝ cosa1 . che cosaDue / rDue
In questa equazione, F rappresenta l'entità della forza e r è la distanza che separa le cariche. L'uguaglianza richiede una costante di proporzionalità, che è chiamata costante elettrostatica ed è indicata come Ke.
Quindi:
F = k. che cosa1 . che cosaDue / rDue
Inoltre, Coulomb ha scoperto che la forza era diretta lungo la linea che collega le cariche. Allora si r è il vettore unitario lungo questa linea, la legge di Coulomb come vettore è:
Coulomb ha utilizzato un dispositivo chiamato equilibrio di torsione per i tuoi esperimenti. Attraverso di essa è stato possibile stabilire il valore della costante elettrostatica in:
Ke = 8,99 x 109 N mDue/ CDue ≈ 9,0 x 109 N mDue/ CDue
Successivamente vedremo un'applicazione. Ci sono tre punti di addebito qPER, che cosaB e cosaC che sono nelle posizioni indicate in figura 2. Calcoliamo la forza netta su qB.
Il carico qPER attira il carico cheB, perché sono di segno opposto. Lo stesso si può dire di qC. Il diagramma del corpo isolato è nella figura 2 a destra, in cui si osserva che entrambe le forze sono dirette lungo l'asse verticale o l'asse y, e hanno direzioni opposte.
La forza netta sulla carica qB è:
FR = FAB + FCB (Principio di sovrapposizione)
Non resta che sostituire i valori numerici, avendo cura di scrivere tutte le unità nel Sistema Internazionale (SI).
FAB = 9,0 x 109 x 1 x 10-9 x 2 x 10-9 / (2 x 10-Due) Due N (+Y) = 0,000045 (+Y) N
FCB = 9,0 x 109 x 2 x 10-9 x 2 x 10-9 / (1 x 10-Due) Due N (-Y) = 0.00036 (-Y) N
FR = FAB + FCB = 0,000045 (+Y) + 0.00036 (-Y) N = 0.000315 (-Y) N
Queste due forze hanno la stessa forma matematica. Certo, differiscono nel valore della costante di proporzionalità e in quanto la gravità lavora con le masse, mentre l'elettricità funziona con le cariche..
Ma la cosa importante è che entrambi dipendono dal quadrato inverso della distanza.
Esiste un tipo unico di massa ed è considerato positivo, quindi la forza gravitazionale è sempre attraente, mentre le cariche possono essere positive o negative. Per questo motivo le forze elettriche possono essere attrattive o repulsive, a seconda dei casi..
E abbiamo questo dettaglio che deriva da quanto sopra: tutti gli oggetti in caduta libera hanno la stessa accelerazione, purché siano vicini alla superficie della Terra..
Ma se rilasciamo un protone e un elettrone vicino a un piano carico, per esempio, l'elettrone avrà un'accelerazione molto maggiore del protone. Inoltre, le accelerazioni avranno direzioni opposte.
Infine, la carica elettrica viene quantizzata, proprio come è stato detto. Ciò significa che possiamo trovare cariche 2,3 o 4 volte quella dell'elettrone -o quella del protone-, ma mai 1,5 volte questa carica. Le masse, d'altra parte, non sono multipli di una massa unica.
Nel mondo delle particelle subatomiche, la forza elettrica supera quella gravitazionale in grandezza. Tuttavia, su scale macroscopiche, la forza di gravità è quella predominante. Dove? A livello dei pianeti, del sistema solare, della galassia e altro ancora.
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