Articolo sul campo elettrico
In merito alla carica elettrica, si è appreso che cariche dello stesso segno si respingono, mentre cariche di segno opposto si attraggono. Se un oggetto carico positivamente viene avvicinato a un oggetto carico negativamente, i due oggetti si attraggono e si muovono l'uno verso l'altro. Viceversa, se un oggetto carico positivamente viene avvicinato a un altro oggetto carico positivamente, i due oggetti si respingono e si allontanano l'uno dall'altro. Come studiato in relazione alla legge di Coulomb, gli oggetti elettricamente carichi possono accelerare altri oggetti elettricamente carichi perché tra di essi agisce una forza elettrica. La forza elettrica esercitata da un oggetto carico elettricamente su altri oggetti carichi elettricamente è un esempio di forza che può agire senza contatto. Un altro esempio di forza che può agire a distanza è la forza di gravità . La forza gravitazionale è esercitata da un oggetto con massa su altri oggetti con massa.
La forza d'attrito , la forza di spinta e la forza normale sono esempi di forze facili da comprendere perché agiscono quando si verifica un contatto. Al contrario, la forza elettrica è un esempio di forza difficile da comprendere perché può agire a distanza, senza contatto fisico. Per comprendere la forza elettrica che agisce a distanza, entra in gioco il concetto di campo elettrico. Il concetto di campo elettrico fu sviluppato dallo scienziato britannico Michael Faraday (1791-1867).
Definizione del campo elettrico (E)
Supponiamo che un bicchiere inizialmente fosse elettricamente neutro. Dopo essere stato strofinato con un panno, il bicchiere si carica elettricamente. Quando il bicchiere si carica elettricamente, si genera contemporaneamente un campo elettrico attorno ad esso. Se il bicchiere torna neutro, il campo elettrico scompare. Pertanto, l'esistenza di un campo elettrico (E) non può essere separata dalla presenza di una carica elettrica. Il campo elettrico non è una sostanza come l'aria né un tipo di onda, come le onde elettromagnetiche. Il campo elettrico è qualcosa di generato da una carica elettrica e influenza lo spazio circostante, mentre altre cariche elettriche risentono solo dell'influenza del campo elettrico.
Per verificare se in una stanza è presente un campo elettrico (E), si presume che in quello spazio sia presente una carica di prova. La carica di prova è una carica minima (Q) tale da produrre un campo elettrico minuscolo, quindi trascurabile. Tuttavia, la carica di prova può risentire dell'influenza del campo elettrico generato da altre cariche elettriche. La carica di prova viene introdotta solo per verificare se nello spazio è presente un campo elettrico (E). Se nello spazio è presente un campo elettrico (E),
La carica di prova deve essere soggetta alla forza elettrica, mentre se non è presente alcun campo elettrico, la carica di prova non è soggetta alla forza elettrica.
Osserva la figura a lato.
Nella figura 1, la carica +q 1 e la carica +q 2 producono un campo elettrico E nello spazio circostante. Quando la carica di prova +q o viene posizionata in un punto dello spazio, essa subisce una forza elettrica. F 1 è la forza elettrica esercitata dalla carica +q 1 sulla carica di prova +q o , e F 2 è la forza elettrica esercitata dalla carica +q 2 sulla carica di prova +q o . Nella figura 2, quando la carica di prova viene rimossa, il campo elettrico E rimane e non scompare da quel punto. E 1 è un campo elettrico prodotto da una carica elettrica +q 1 , ed E 2 è un campo elettrico prodotto da una carica elettrica +q 2.
L'entità del campo elettrico
Il campo elettrico E è una grandezza vettoriale, in cui il campo elettrico ha un'intensità e una direzione. L'intensità di un campo elettrico E viene solitamente definita come la forza elettrica esercitata da una carica elettrica su una carica di prova positiva posta in quel punto, divisa per la dimensione della carica di prova.
E = intensità del campo elettrico
F = forza elettrica
q = carica di prova
L'unità di misura della forza elettrica è il Newton e l'unità di misura della carica elettrica è il Coulomb, quindi l'unità di misura di E è Newton/Coulomb, abbreviato in N/C.
La direzione del campo elettrico
Nella Figura 1a, una carica elettrica positiva (+Q) esercita una forza elettrica sulla carica di prova positiva (+q), dove la direzione della forza elettrica (F) è opposta alla carica +Q.
Nella Figura 1b, quando la carica di prova viene rimossa, in questo punto è presente un campo elettrico (E) la cui direzione è opposta a quella della carica elettrica Q.
Nella Figura 2a, una carica elettrica negativa (-Q) esercita una forza elettrica su una carica di prova positiva (+q), dove la direzione della forza elettrica (F) si avvicina alla carica -Q.
Nella Figura 2b, quando la carica di prova viene rimossa, in questo punto è presente un campo elettrico (E) la cui direzione è prossima a quella della carica elettrica -Q.
In base alla figura e alla spiegazione di cui sopra, si può concludere che la direzione del campo elettrico si allontana dalla carica elettrica positiva e si avvicina alla carica elettrica negativa.
Linee di campo elettrico
Il campo elettrico E viene generato da una carica elettrica e influenza lo spazio circostante, dove l'influenza del campo E viene percepita solo da altre cariche elettriche. Quando un'altra carica elettrica si trova all'interno del campo E generato da una carica elettrica, quest'ultima percepisce l'influenza della forza elettrica.
La comprensione del campo elettrico, come descritto nell'articolo sulla E, può essere realizzata con la mente, ma può essere solo immaginata. Per visualizzare una E, vengono presentate le linee di campo elettrico. Le linee di campo elettrico sono un insieme di linee tracciate attorno a una carica elettrica per indicare l'esistenza di un campo elettrico. Poiché lo scopo è mostrare la presenza di una E, esiste una connessione tra queste linee e la E stessa. In altre parole, l'intensità e la direzione della E possono essere spiegate disegnando le linee di campo elettrico.
Di seguito viene illustrata la relazione tra direzione e intensità del campo elettrico in funzione delle linee di campo elettrico:
Innanzitutto, la direzione del campo elettrico E si allontana dalla carica positiva e si avvicina alla carica negativa. Pertanto, anche la direzione delle linee di campo elettrico si allontana dalla carica positiva e si avvicina alla carica negativa.
Se una carica positiva è adiacente a una carica negativa, le linee del campo elettrico si estendono dalla carica positiva verso quella negativa. Viceversa, se due cariche positive sono adiacenti, le linee del campo elettrico si estendono da ciascuna carica positiva allontanandosi l'una dall'altra.
In secondo luogo, l'intensità del campo elettrico è rappresentata dalla distanza tra le linee di campo elettrico. Minore è la distanza tra le linee di campo elettrico, maggiore è l'intensità del campo elettrico, mentre maggiore è la distanza tra le linee di campo elettrico, minore è l'intensità del campo elettrico.
Perché, più la distanza tra le linee è minore, maggiore è l'intensità del campo elettrico? Per capirlo, osserviamo la seguente spiegazione. Supponiamo che una carica positiva si trovi al centro di una sfera e che le linee del campo elettrico si estendano in varie direzioni sulla superficie della sfera. Se il numero di linee del campo elettrico è N e l'area superficiale della sfera è 4πr² , allora il numero di linee per unità di area, o densità di linee, è N/4πr² . In base a questa formula, per lo stesso N, se r diminuisce, la distanza tra le linee si riduce, mentre se r aumenta, la distanza tra le linee aumenta.
La formula dell'intensità del campo elettrico E = kq / r² mostra anche che l'intensità del campo elettrico è inversamente proporzionale al quadrato della distanza. Se r è minore, l'intensità del campo elettrico diventa maggiore, e se r è maggiore, l'intensità del campo elettrico diminuisce.
Sulla base dell'analisi precedente, si può concludere che se r diminuisce (avvicinandosi alla carica), l'intensità del campo elettrico aumenta e anche la distanza tra le linee diminuisce. Viceversa, se r aumenta (allontanandosi dalla carica), l'intensità del campo elettrico diminuisce e anche la distanza tra le linee aumenta.
In terzo luogo, il numero di linee di campo elettrico è proporzionale all'intensità del campo elettrico. Maggiore è il numero di linee di campo elettrico, maggiore è l'intensità del campo elettrico. Minore è il numero di linee di campo elettrico, minore è l'intensità del campo elettrico.
