LEZIONE 9- COSA E’ IL CAMPO ELETTRICO – isolanti e conduttori

Un concetto molto importante in fisica è il concetto di campo.

Anche in questo caso noi affronteremo tale nozione a un livello generale lasciando ai corsi di Analisi e Geometria estendere il formalismo matematico.

Campo Elettrico

 

Un concetto molto importante in fisica è il concetto di campo.

Anche in questo caso noi affronteremo tale nozione a un livello generale lasciando ai corsi di Analisi e Geometria estendere il formalismo matematico.

Dal punto di vista fisico, basta sapere che se in una regione dello spazio è presente una carica elettrica ( che dora in poi chiameremo Q) Q, questa genera intorno a se una forza sulle altre cariche che si possono trovare intorno a se: nel suo campo*.

 

 

 

 

* (Il concetto di campo è stato introdotto per la prima volta da Isaac Newton, che descrisse l’azione della forza di gravità mediante l’effetto di un campo gravitazionale che permeava lo spazio intorno a ogni oggetto. Campo di forze Regione dello spazio in cui si manifesta l’azione di una forza.)

Se in un punto dello spazio collochiamo una carica positiva di prova q,  piccola da non alterare il campo generato dalla carica Q negativa,   il rapporto tra la forza esercitata in quel punto sulla carica positiva è la stessa  ( purché molto piccola) prende il nome di CAMPO ELETTRICO  che si indica con E vettore.

La forza esercitata in quel punto sulla carica q è:

 

 

F = q.E

da cui

E = F/q

 

Ogni corpo dotato di carica elettrica genera nello spazio circostante un campo elettrico. Il campo determina un’alterazione dello spazio questo si vede quando si pone all’interno di esso una seconda carica elettrica, carica di prova; per effetto del campo, infatti, la carica di prova risente di una forza attrattiva o repulsiva. In altre parole, il concetto di campo può essere utilizzato per fornire una descrizione, dell’interazione fra cariche elettriche: anziché affermare che una carica elettrica esercita su una seconda carica posta a una determinata distanza una forza elettrostatica, diciamo che una carica ferma genera un campo elettrico e che per effetto del campo una seconda carica risente di una forza.

 

Osservazioni

Per spostare una particella carica da un punto a un altro del campo occorre compiere del lavoro, cioè trasferire energia alla particella stessa. La quantità di energia necessaria nel caso di una particella recante carica unitaria è uguale per definizione alla differenza di potenziale tra i due punti considerati. E COSA IMPORTANTE LE FORZE ELETTRICHE SONO CONSERVATIVE!

 

Legge di Coulomb

 

Carlo Agostrino Coulomb nel 1785 fu il primo che sintetizzò matematicamente la legge che esprime la forza elettrica tra due cariche in funzione della loro distanza e della grandezza della loro carica.

Il campo creato da una carica puntiforme esercita su un’altra carica una forza F che in virtù del principio di uguaglianza di azione e reazione, Coulomb stabilì che la forza F con la quale si attraggono o respingono le cariche è proporzionale alle cariche e inversamente proporzionale  al quadrato della loro distanza che le separa:

 

*F α 1/r²  (1)

*(Notare la somiglianza con la forza tra i pianeti di Newton per esercizio provare la similitudine)

 

Tenuto presente la relazione(1), e  indicando con q1 e q2 le cariche interagenti e con r la distanza tra di esse possiamo concludere che la forza F (vettore) con cui le due cariche puntiformi si attraggono è la seguente:

 

 

dove ε dipende dalle proprietà dello spazio in cui sono poste le cariche e prende il nome di costante dielettrica assoluta. Questa legge, è alla base di tutta l’elettrostatica, l’unità di misura della carica elettrica si chiama coulomb (C).

Il Coulomb (C) è la carica elettrica posseduta da ciascuna delle cariche nel vuoto quando la distanza ( tra i loro centri) è di 1m si respingono con una    F= 8,99 . 10

Osservazione

La grandezza scelta come fondamentale nel sistema internazionale (SI) è l’intensità di corrente, cioè la carica elettrica che attraversa una sezione di un circuito elettrico nell’unità di tempo. Tale unità di misura è chiamata Ampère (A). Quindi, nel SI, la carica elettrica è una grandezza derivata chiamata Coulomb (C) . La forza elettrica in genere molto più intensa di quella gravitazionale almeno a livello atomico. Con un semplice esempio si può dimostrare come il rapporto tra l’attrazione elettrica e la attrazione gravitazionale nell’atomo di idrogeno è circa , quindi a livello atomico solo la forza elettrica genera effetti degni di nota.

Conduttori e Isolanti

 

Quando la carica positiva di un corpo è uguale alla carica negativa, il corpo si trova in uno stato neutro e non produce nessun fenomeno elettrico.

I corpi contenenti un certo numero di cariche libere di muoversi si definiscono CONDUTTORI, in quanto avendo cariche in movimento possono condurre per esempio se la carica in movimento ordinato  è la particella elettrone i conduttori si dicono conduttori di elettricità o di corrente.

L’elettricità infatti non è altro che il movimento dell’elettrone dentro un mezzo, e da questo concetto è nata l’elettronica, che non è altro che componenti, circuiti integrati, dove il movimento dell’elettroni è messo al servizio dell’uomo. Pensate a tutti i componenti domestici, se non ci fosse il movimento delle cariche elettriche in particolari gli elettroni, non ci sarebbero, televisori, cellulare, e la stessa lampadina ne la luce.

Le sostanze o i corpi privi di cariche elettriche in  movimento ( e dove non può passare corrente) sono detti isolanti. (Da notare è la differenza fra "isolante" e "dielettrico", molto spesso non considerata, anche perché nella maggior parte dei casi un dielettrico è anche un isolante e viceversa. "isolanti" sono quelle sostanze che si oppongono al passaggio della corrente, "dielettriche" sono invece quelle che hanno molecole che possono essere polarizzate e se vengono inserite in un condensatore diminuiscono la tensione fra le due armature del condensatore stesso.)

Nota I semiconduttori

sono materiali che hanno una resistività intermedia tra i conduttori e gli isolanti. I semiconduttori sono alla base di tutti i principali dispositivi elettronici e microelettronici quali i transistor, i diodi e i diodi ad emissione luminosa (LED). Le proprietà dei semiconduttori diventano interessanti se vengono opportunamente drogati con impurità. Le loro caratteristiche quali resistenza, mobilità, concentrazione dei portatori di carica sono importanti per determinare il campo di utilizzo. La risposta di un semiconduttore a una portante dipende dalle sue caratteristiche intrinseche e da alcune variabili esterne come la temperatura.

Osservazione Corrente Elettrica

Quando si studia il moto di cariche elettriche in un mezzo conduttore si usa spesso definire L’intensità di Corrente attraverso una superficie: è la quantità di carica q che attraversa la superficie nell’unità di tempo t

i= dq/dt  la sua unità di misura è L’AMPER     A = 1C/1s