Materiale di carica elettrica
Osservate uno degli oggetti che vi circondano. Se distruggete un oggetto, ad esempio una roccia, questa si frantuma in diversi pezzi più piccoli. Se la roccia viene frantumata di nuovo, si trasformerà in pezzi ancora più piccoli. Cosa succede se i pezzi di roccia vengono frantumati ulteriormente? Ovviamente, i pezzi di roccia si frantumano e si trasformano in pezzi ancora più piccoli. Le rocce possono essere divise in pezzi sempre più piccoli fino all'infinito? Il fatto dimostra che qualsiasi oggetto, se diviso in pezzi più piccoli, arriverà a un punto in cui la parte più piccola dell'oggetto non può essere ulteriormente suddivisa. La parte più piccola di un oggetto che non può essere ulteriormente divisa si chiama atomo. Quindi un atomo è la parte più piccola di ogni materia nell'universo.
Carica elettrica negli atomi
Gli atomi sono composti da elettroni, protoni e neutroni. Protoni e neutroni formano il nucleo atomico, che misura circa 10⁻¹⁵ metri . Gli elettroni si trovano all'esterno del nucleo e gli orbitano attorno come i pianeti orbitano attorno al sole. Supponendo che il diametro di un atomo sia di diversi chilometri, il nucleo ha all'incirca le dimensioni di una palla da biliardo, con gli elettroni situati al suo interno, a una distanza di circa 10⁻¹⁰ metri . Tra il nucleo e un elettrone c'è lo spazio vuoto.
Gli elettroni, caricati negativamente, si trovano ai bordi dell'atomo, mentre i protoni, caricati positivamente, si trovano nel nucleo. Per mantenere gli elettroni in orbita attorno al nucleo ed evitare che fuoriescano dall'atomo, il nucleo, carico positivamente, deve esercitare una forza attrattiva su di essi. Questa forza, che mantiene gli elettroni in orbita attorno al nucleo e ne impedisce la fuoriuscita, è chiamata forza elettrica.
Al contrario, all'interno del nucleo atomico si trovano protoni con carica positiva, quindi si respingono naturalmente a vicenda perché hanno la stessa carica. Per mantenere i protoni uniti nel nucleo atomico e impedire che si separino dall'atomo, deve esistere una forza che li tenga insieme. La forza che tiene uniti i protoni nel nucleo atomico è chiamata forza nucleare.
La massa di un protone è quasi uguale alla massa di un neutrone. Circa il 99,9% della massa di un atomo è concentrata nel nucleo, mentre gli elettroni hanno una massa molto piccola. La massa di un elettrone (me ) = 9,1093897 x 10⁻³¹ kg , la massa di un neutrone (mn ) = 1,6749286 x 10⁻²⁷ kg e la massa di un protone (mp ) = 1,6726231 x 10⁻²⁷ kg.
Quantità di carica elettrica
Gli elettroni hanno carica negativa, i protoni hanno carica positiva e i neutroni sono elettricamente neutri. I protoni e i neutroni che compongono il nucleo atomico sono costituiti da quark, che hanno cariche pari a circa 1/3 e circa 2/3 di quella degli elettroni. I quark sono le particelle più piccole che compongono gli atomi, ma finora non è stata trovata la loro esistenza come particelle singole isolate.
L'entità della carica dell'elettrone o del protone è l'unità di misura fondamentale della carica. L'entità della carica elettrica di un oggetto è un multiplo della carica dell'elettrone o del protone. Questa viene definita carica quantizzata . Ad esempio, se il taglio di moneta più piccolo che utilizziamo è di 100 rupie, allora la quantità di denaro posseduta da una persona è espressa in multipli di tale taglio, ovvero 100 rupie. Ad esempio, la mia somma di denaro è 100.000 e questo 100.000 è divisibile per 100. Sarebbe strano se la mia somma di denaro fosse 100.002 perché non esiste un taglio da 2 rupie. Allo stesso modo, la quantità di carica di un oggetto. La quantità di carica di un elettrone è -e e la quantità di carica di un protone è +e. La quantità di carica di un oggetto è un multiplo di e, ovvero 1,60 x 10⁻¹⁹ Coulomb , e può essere espressa tramite la formula Q = ±Ne. Q = quantità di carica, ± rappresenta il tipo di carica, N = numero intero, e = 1,60 x 10⁻¹⁹ Coulomb.
Carica elettrica negli oggetti
Se un atomo ha lo stesso numero di elettroni e di protoni, la carica elettrica totale dell'atomo è zero e l'atomo è neutro, ovvero non ha carica elettrica. Il numero di protoni o elettroni in un atomo neutro è chiamato numero atomico (Z) . Se ci sono più elettroni che protoni, l'atomo è carico negativamente. Al contrario, se ci sono meno elettroni che protoni, l'atomo è carico positivamente. Gli atomi carichi negativamente sono chiamati ioni negativi , mentre gli atomi carichi positivamente sono chiamati ioni positivi . Il processo di assorbimento o rilascio di elettroni da un atomo è chiamato ionizzazione . Quando diciamo che un atomo è carico, intendiamo la carica totale o carica netta. Ad esempio, un atomo ha 10 elettroni e 7 protoni. Questo atomo è carico negativamente perché ha 3 elettroni in eccesso con carica negativa. Quindi la carica netta di questo atomo è 3 e il tipo di carica atomica è negativa. I numeri 3, 7, 10 sono solo esempi per facilitare la comprensione. In realtà, la quantità di carica elettrica di un oggetto è un multiplo della carica dell'elettrone o del protone.
Se un oggetto ha un numero di elettroni uguale al numero di protoni, allora è neutro, ovvero non ha carica elettrica. Se un oggetto ha più elettroni che protoni, allora ha una carica negativa; viceversa, se un oggetto ha meno elettroni che protoni, allora ha una carica positiva. Un oggetto inizialmente neutro può essere reso carico negativamente aggiungendo elettroni, mentre può essere reso carico positivamente riducendo il numero di elettroni presenti nell'oggetto.
