Forze Elettrostatiche

Un corpo isolato, che presenta. elettroni in eccesso, è sede di una carica elettrica negativa; se, al contrario, presenta elettroni in difetto, è sede di una carica positiva. Dal primo Articolo si è già visto che l’unita di misura della carica è il coulomb (C), corrispondente alla carica di 6,24*1018 elettroni.

Prendiamo in esame due corpi puntiformi, aventi rispettivamente carica elettrica Q1 e Q2, separati dalla distanza r nello spazio vuoto (fig. 1.1). Se le cariche hanno segno opposto sono soggette ad una forza attrattiva; se hanno segno uguale la forza risulta essere repulsiva.


Per il principio di azione e reazione, agisce una forza su ciascuna carica; le due forze sono identiche in modulo e direzione, ma hanno verso opposto.

Proprio la misura di tali forze costituisce la base per lo studio sistematico dell’elettrostatica. Misurando le forze agenti sulle cariche Q1 e Q2 al variare delle cariche e della distanza, risulta che la forza è direttamente proporzionale al prodotto delle cariche, ed inversamente proporzionale al quadrato della distanza. Quanto detto costituisce la nota legge di Coulomb, espressa sinteticamente dalla formula:

 

dove le cariche Q1 e Q2 sono misurate in coulomb, la distanza r in metri e la forza F in Newton; la costante di proporzionalità ke assume il valore


Dalla relazione che esprime la legge di Coulomb si ricava che due cariche unitarie poste alla distanza di un metro, si scambiano una forza pari a 8,987*109 N, cioè circa un milione di tonnellate. In pratica si realizzano cariche che attirano, al massimo, qualche pagliuzza o qualche foglio di carta; questo fa capire quanto sia enorme l’unita di carica, della quale si usano normalmente i sottomultipli. Solamente fenomeni imponenti, quali i fulmini, mettono in gioco cariche di qualche decina di coulomb.

Normalmente si esprime ke in una forma algebrica diversa, introducendo la costante ε0 (costante dielettrica nel vuoto) e ponendo

Il valore di ε0  risulta di conseguenza

Questo valore della costante dielettrica è valido, con buona approssimazione, anche nell’aria. La legge di Coulomb assume così la forma

Essa è simile alla legge di Newton, Che determina la forza di attrazione gravitazionale fra due masse, ma rileviamo alcune importanti differenze: mentre le forze gravitazionali sono sempre attrattive, le forze elettriche possono essere attrattive o repulsive; inoltre le forze elettriche possono essere immensamente maggiori delle forze gravitazionali.

Per farci un’idea adeguata delle forze elettriche immaginiamo di porre due sfere di rame, pesanti una tonnellata ciascuna, alla distanza di un metro: la loro attrazione gravitazionale risulta, dalla legge di Newton:

Immaginiamo ora di sottrarre solamente un miliardesimo degli elettroni presenti: ciascuna sfera assume una carica pari a 2,75*1020 elettroni, cioè 44 C; la forza elettrostatica di repulsione risulta

Chiaramente l’esperimento descritto non può essere condotto in pratica,poiché, già a livelli di carica molto inferiori, intervengono violenti fenomeni di scarica elettrica.

A questo punto è lecito chiedersi come mai i protoni del nucleo atomico, cosi vicini fra di loro, non si respingano violentemente. La spiegazione sta nel fatto che, per distanze molto piccole, quali quelle all’interno del nucleo atomico, interviene la «forza forte», che esercita un’attrazione enormemente superiore alla repulsione elettrostatica. La forza forte, al crescere della distanza, si attenua molto più rapidamente di quella coulombiana, e diventa presto trascurabile.

%d bloggers like this: