La carica elettrica è una proprietà fisica fondamentale della materia e in particolare dei protoni e degli elettroni delle particelle subatomiche. Proprio come gli atomi hanno massa, queste particelle hanno carica, e c'è una forza elettrica e un campo elettrico associati a questa carica.
Proprietà della carica elettrica
La carica elettrica è disponibile in due varietà:carica positiva e carica negativa, che, come suggeriscono i loro nomi, hanno segni opposti (a differenza della massa, che ha una sola varietà). Gli oggetti con carica elettrica esercitano una forza elettrica l'uno sull'altro, proprio come gli oggetti con massa fanno tramite la forza gravitazionale. Ma invece di essere sempre una forza attrattiva, come con la massa, le cariche opposte si attraggono mentre le cariche simili si respingono.
L'unità SI di carica è il coulomb (C). Un coulomb è definito come la quantità di carica che può essere trasferita da un ampere di corrente elettrica in un secondo. I portatori di carica fondamentali sono il protone, con carica
+e, e l'elettrone, con carica-e, dove la carica elementaree = 1.602 × 10-19 c.La carica netta su un oggetto è il numero di protoninopmeno il numero di elettroninoevoltee:
\text{addebito netto} = (N_p - N_e) e
La maggior parte degli atomi è elettricamente neutra, il che significa che hanno un numero uguale di protoni ed elettroni, quindi la loro carica netta è 0 C. Se un atomo acquista o perde elettroni, viene chiamato ione e avrà una carica netta diversa da zero. Gli oggetti con carica netta mostrano elettricità statica e di conseguenza possono aggrapparsi l'uno all'altro con una forza che dipende dalla quantità di carica.
Si noti che questo trasferimento di elettroni tra atomi o tra oggetti non comporta anche un cambiamento significativo nella massa degli oggetti. Questo perché, mentre protoni ed elettroni hanno la stessa grandezza di carica, hanno masse molto diverse. La massa di un elettrone è 9,11 × 10-31 kg mentre la massa di un protone è 1,67 × 10-27 kg. Un protone è più di 1.000 volte più pesante di un elettrone!
Legge di Coulomb: Formula
La legge di Coulomb dà la forza elettrostaticaFtra due cariche,q1eq2una distanzara parte:
F = k\frac{q_1q_2}{r^2}
DoveKè la costante di Coulomb = 8,99 × 109 Nm2/C2.
Nota che questa forza è avettore,che punta lungo una linea diretta lontano dall'altra particella se le cariche sono uguali e verso l'altra particella se le cariche sono opposte.
La legge di Coulomb, proprio come la forza di gravità tra due masse, è una legge dell'inverso del quadrato. Ciò significa che diminuisce come l'inverso del quadrato della distanza tra due cariche. In altre parole, cariche che sono due volte più distanti subiscono un quarto della forza. Ma mentre questa carica diminuisce con la distanza, non va mai a zero e quindi ha una portata infinita.
Esempi da studiare
Esempio 1:Una carica di +2ee una carica di -4esono separati da una distanza di 0,25 cm. Qual è l'intensità della forza di Coulomb tra di loro?
Usando la legge di Coulomb e assicurandoti di convertire cm in m, ottieni:
F = k\frac{q_1q_2}{r^2} = (8,99\times10^9)\frac{(2\times 1,602\times10^{-19})(-4\times 1,602\times 10^{-19 })}{0,0025^2} = 2,95\volte 10^{-22}\testo{ N}
Esempio 2:Supponiamo che un elettrone e un protone siano separati da una distanza di 1 mm. Come si confronta la forza gravitazionale tra di loro con la forza elettrostatica?
La forza gravitazionale può essere calcolata dall'equazione:
F_{grav} = G\frac{m_pm_e}{r^2}
Dove la costante gravitazionaleG = 6.67 × 10-11 m3/kgs2.
Inserendo i numeri si ottiene:
F_{grav} = (6.67\times 10^{-11})\frac{(1.67\times 10^{-27})(9.11\times 10^{-31})}{(1\times 10^{ -3})^2} = 1.015\volte 10^{-61}\testo{ N}
La forza elettrostatica è data dalla legge di Coulomb:
F_{elec} = k\frac{q_1q_2}{r^2} = (8.99\times10^9)\frac{(1.602\times 10^{-19})(-1.602\times 10^{-19}) }{(1\times 10^{-3})^2} = 2.307\times 10^{-22}\text{ N}
La forza elettrostatica tra il protone e l'elettrone è maggiore di 1039 volte maggiore della forza gravitazionale!