COS E’ IL CAMPO ELETTRICO

Quando studiamo i fenomeni elettrici è anche necessario capire cos’è il campo elettrico che insieme al campo elettromagnetico è all’origine della tensione e della corrente elettrica, quindi è il punto di partenza dei fenomeni stessi. In questo articolo cercherò come di consueto, di spiegarti il concetto senza troppe formule e nel modo più semplice che posso, Cominciamo.

DEFINIZIONE DI CAMPO ELETTRICO

Il campo elettrico è un campo di forze generato nello spazio da una o più cariche elettriche.

Il campo elettrico è stato introdotto in fisica da Michael Faraday,  si propaga alla velocità della luce ed esercita una forza su ogni oggetto elettricamente carico.

In pratica è lo spazio dove una carica elettrica è capace di esercitare un’azione su altre cariche elettriche eventualmente presenti ed è definito da infinite rette passanti per il centro della carica stessa, che si estendono all’infinito e che si chiamano “Linee di Campo”.

Il verso delle linee di campo nelle cariche elettriche positive è sempre uscente, mentre in quelle negative è sempre entrante. Le cariche positive si chiamano cariche sorgenti delle linee di forza, mentre le cariche negative si chiamano pozzi delle linee di forza.

Le linee di campo sono più vicine l’una all’altra in prossimità della carica che le genera (e quindi il campo è più denso vicino alla carica), mentre sono più lontane all’infinito (e quindi il campo all’infinito ha densità prossima allo zero).

Nelle immagini qui sotto vediamo rappresentato il campo elettrico di due cariche che non interagiscono tra di loro.

Inoltre le linee di campo descrivono altre due cose fondamentali di cui parleremo meglio più avanti, che sono simili ma non sono la stessa cosa: Vettore Forza Elettrica e Vettore Campo Elettrico.

INTERAZIONE TRA CARICHE ELETTRICHE – DIPOLO ELETTRICO

Le cariche di segno opposto si attraggono e quelle dello stesso segno si respingono, e nelle immagini qui sotto puoi vedere lo schema del loro comportamento quando sono messe vicine.

Come vedi se le cariche elettriche sono dello stesso segno le linee di campo si dispongono per respingersi con tutte le loro forze, mentre se sono di segno opposto escono dalle cariche positive e convergono all’interno di quelle negative attraendosi.

VETTORE FORZA ELETTRICA

Le Forze Elettriche esistono solo ed esclusivamente se ci sono due o più cariche che interagiscono tra di loro, quindi i loro effetti si manifestano e sono apprezzabili solo in presenza di due o più cariche elettriche che siano abbastanza vicine. Inoltre le forze elettriche hanno direzione tangente le linee di campo in ogni punto, ma a differenza di queste ultime possono avere il verso entrante nelle cariche oppure uscente dalle cariche a seconda del segno delle cariche stesse, e quindi possono avere verso diverso dalle linee di campo.

Nella figura qui sotto prendiamo in considerazione una carica positiva Q grande per vedere qual è la direzione ed il verso delle forze che si creano nel momento in cui immergiamo una carica prova q piccolo, prima positiva e poi negativa, all’interno del suo campo elettrico.

Nel caso in cui la carica Q grande sia positiva, quando gli avviciniamo una carica di prova q⁺ piccolo anch’essa positiva la forza è di repulsione ed ha lo stesso verso delle linee di campo. Nel caso in cui la carica q^– piccolo sia negativa invece, le linee di campo sono sempre uscenti, ma la forza elettrica che si genera è di attrazione e quindi rivolta verso la carica Q grande.

CALCOLO DELLA FORZA DI ATTRAZIONE (O DI REPULSIONE) TRA CARICHE ELETTRICHE

La forza di attrazione tra due cariche elettriche è direttamente proporzionale alla costante di Coulomb e il valore delle due cariche, ed inversamente proporzionale alla distanza tra le due cariche.

Dove:

k è la costante di Coulomb e vale k = 8.987 × 10 ⁹ [N x m ² /C ²].

Q è la carica generatrice di cui vogliamo studiare il campo

q è la carica prova

d è la distanza tra le due cariche

Cioè, tradotto significa che se aumentiamo il valore delle cariche (cioè sovrapponiamo più cariche puntiformi esattamente una sull’altra) oppure le avviciniamo l’una all’altra, la forza di attrazione aumenta, viceversa, se diminuiamo il valore delle due cariche oppure le allontaniamo, la forza di attrazione o repulsione diminuisce.

Il calcolo della forza elettrica è lo stesso sia per cariche dello stesso segno, sia per cariche di segno opposto, ma ricorda sempre che se sono uguali si respingono e se sono diverse si attraggono.

VETTORE CAMPO ELETTRICO

Abbiamo visto che il campo elettrico generato da una carica Q grande (che chiameremo “carica sorgente”) è lo spazio in cui agiscono le forze elettriche da essa generate su un’altra carica q piccolo (che chiameremo “carica di prova”) quando questa sia immersa nel campo elettrico di Q grande, il problema è che anche la carica di prova q piccolo genera a sua volta un campo elettrico che agisce sulle altre cariche e ci sarebbe una sovrapposizione degli effetti che non ci serve. A noi interessa studiare gli effetti del campo elettrico generato della carica sorgente senza tenere conto degli effetti della carica prova che ci serve solo per capire cosa succede quando la immergiamo nel campo di un’altra carica, quindi la carica prova deve essere per così dire “trasparente” e per farlo abbiamo annullarne gli effetti almeno nel calcolo.  Quindi in pratica dobbiamo riferire la forza generata da Q grande alla carica prova q piccolo in modo da annullare gli effetti di quest’ultima.

Quello che dobbiamo fare in pratica è dividere tutta la formula della forza per il valore della carica prova q piccolo, in modo da annullarla e non doverne tenere di conto nel calcolo. Così facendo abbiamo trovato una nuova entità, un nuovo vettore: il Vettore Campo Elettrico Ē.

Quindi:

La differenza tra Forza Elettrica e Campo Elettrico, se vuoi, è un po’ come la differenza tra peso e pressione: il peso è la forza gravitazionale che agisce su una massa e la pressione è la stessa forza riferita però ad una superficie (il peso si misura in Kg e la pressione in Kg/Cm², La forza in Newton e il campo elettrico in Newton/Coulomb ).

CARATTERISTICHE DEL VETTORE CAMPO ELETTRICO

Il Vettore Campo Elettrico è sempre presente anche con una sola carica, è tangente le linee di campo in ogni punto ed ha lo stesso loro verso (in effetti nelle immagini qui sotto, il campo elettrico è rappresentato proprio dalle frecce uscenti nelle cariche positive ed entranti nelle cariche negative perché la tangente di una retta è la retta stessa). quindi è proprio la raggiera delle cariche:

Praticamente si sovrappongono.

Se invece prendiamo in considerazione un dipolo elettrico prendiamo in considerazione un dipolo elettrico dove le linee di campo sono curve, possiamo meglio vedere come il vettore campo elettrico tange le linee di campo:

Inoltre il campo elettrico è più forte vicino alla carica e sempre più debole a mano a mano che ci si allontana dalla carica che lo genera, quindi i vettori vicino alla carica sono più lunghi.

ANALOGIA TRA CAMPO ELETTRICO E CAMPO GRAVITAZIONALE

Per fare una analogia, possiamo vedere il comportamento della nostra terra che deforma lo spazio e genera anch’essa un campo – gravitazionale questa volta – e se ci passa un asteroide abbastanza vicino, in quel momento si manifesta la forza di attrazione che lo attira verso il nostro pianeta (Mamma mia), ma fortunatamente finché il sasso è lontano dalla nostra atmosfera non subirà l’attrazione e quindi siamo al sicuro.

Il campo elettrico di una carica Q è un po’ come il campo gravitazionale terrestre: è una deformazione dello spazio, solo che stavolta le forze possono essere sia di attrazione che di repulsione, per cui se lì vicino c’è un’altra carica elettrica, viene attratta o respinta a seconda del segno, ed è in quel momento che si manifesta l’effetto della forza.

RICAPITOLIAMO LE PROPRIETÀ DEL CAMPO ELETTRICO:

1. Le linee di campo sono uscenti dalle cariche positive ed entranti nelle cariche negative.
2. Le linee di campo sono infinite ed arrivano all’infinito, cioè sono in numero infinito e si estendono in uno spazio infinito (anche se le interazioni tra cariche sono apprezzabili a distanze ridotte).
3. Il vettore campo elettrico è sempre tangente la linea di campo e se l’unica carica presente è quella che lo genera, il vettore campo elettrico si sovrappone alle linee di campo stesse.
4. La densità delle linee di campo è maggiore vicino alla carica e tendente a zero all’infinito, quindi il valore del campo elettrico è massimo in corrispondenza della carica elettrica che lo genera e nullo ad una distanza infinita.
5. Le cariche elettriche dello stesso segno si respingono, mentre quelle di segno opposto si attraggono.

UN ESEMPIO DI APPLICAZIONE DEL CAMPO ELETTRICO

Il campo elettrico è un campo di forze che agiscono sulle cariche elettriche e ci si possono fare tante cose, ma la prima che mi viene in mete è sfruttarlo per generare energia elettrica con un generatore:

Se usiamo il campo elettrico per strappare elettroni agli atomi di un conduttore e metterli in un altro conduttore tramite un generatore, abbiamo creato lavoro da poter riutilizzare, e se dopo averlo utilizzato ricominciamo il ciclo da capo, ecco che possiamo accendere le lampadine, fare la lavatrice e scaldare l’acqua.

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