Carica elettrica

grandezza fisica scalare

La carica elettrica è un tipo di carica fisica, scalare e dotata di segno, responsabile di una delle interazioni fondamentali della materia, l'interazione elettromagnetica, e sorgente del campo elettromagnetico. Nel Sistema internazionale di unità di misura l'unità di carica elettrica è il coulomb ()[1].

La bilancia di torsione di Coulomb usata per misurare la forza tra cariche elettriche.

È una grandezza quantizzata, ossia esiste solo con valori multipli di una quantità elementare che corrisponde alla carica del protone e, cambiata di segno, a quella dell'elettrone. La carica elementare, indicata con , inizialmente determinata da Robert Andrews Millikan tra il 1910 e il 1917, è stata fissata esattamente dal sistema internazionale nel 2019[2] in:

La quantizzazione della carica elettricaModifica

 
Campo elettrico indotto da una carica positiva.
 
Campo elettrico indotto da una carica negativa.

Se non si considerano i quark, non è stato scoperto alcun oggetto che possiede una carica inferiore a quella dell'elettrone e per tale motivo il suo valore è considerato l'unità di carica elettrica fondamentale, essendo tutte le quantità di carica suoi multipli. Secondo il Modello standard tuttavia, le cariche più piccole sono   e  , proprie ad esempio del quark down e del quark up rispettivamente. Anche gli altri quark, di massa maggiore, hanno le stesse cariche.

Pur se i quark trasportano una carica elettrica, a causa dell'elevata intensità della forza nucleare forte che li tiene uniti osservare un quark libero richiede un'energia estremamente elevata che solo da poco è alla portata degli acceleratori di particelle. Si pensa sia possibile l'esistenza di un plasma di quark e gluoni liberi a circa 150 GeV, circa  ; i fisici cercano di ottenerlo facendo collidere tra loro nuclei pesanti, come l'oro, ad energie di circa 100 GeV per nucleone.

L'elettroneModifica

  Lo stesso argomento in dettaglio: Elettrone.

L'elettrone è una particella subatomica che possiede una massa a riposo di  , pari a circa   di quella del protone. Il momento angolare intrinseco, ovvero lo spin, è un valore semi intero pari ad   in unità di   (dove   è la costante di Planck ridotta), che rende l'elettrone un fermione, soggetto quindi al principio di esclusione di Pauli. L'antiparticella dell'elettrone è il positrone, il quale si differenzia solo per la carica elettrica di segno opposto; quando queste due particelle collidono possono essere sia diffuse che annichilate producendo fotoni, più precisamente raggi gamma.

L'idea di una quantità fondamentale di carica elettrica è stata introdotta dal filosofo Richard Laming nel 1838 per spiegare le proprietà chimiche dell'atomo;[3] il termine elettrone è stato successivamente coniato nel 1894 dal fisico irlandese George Johnstone Stoney, ed è stato riconosciuto come una particella da Joseph John Thomson e dal suo gruppo di ricerca.[4][5] Successivamente il figlio George Paget Thomson ha dimostrato la duplice natura corpuscolare e ondulatoria dell'elettrone, che è quindi descritto dalla meccanica quantistica per mezzo del dualismo onda-particella.

Gli elettroni, insieme ai protoni e ai neutroni, sono parti della struttura degli atomi e, sebbene contribuiscano per meno dello 0,06% alla massa totale dell'atomo, sono responsabili delle sue proprietà chimiche; in particolare, la condivisione di elettroni tra due o più atomi è la sorgente del legame chimico covalente.[6]

La maggior parte degli elettroni presenti nell'universo è stata creata durante il Big Bang, sebbene tale particella possa essere generata tramite il decadimento beta degli isotopi radioattivi e in collisioni ad alta energia, mentre può essere annichilita grazie alla collisione con il positrone e assorbita in un processo di nucleosintesi stellare.

In molti fenomeni fisici, in particolare nell'elettromagnetismo e nella fisica dello stato solido, l'elettrone ha un ruolo essenziale: è responsabile della conduzione di corrente elettrica e del calore, il suo moto genera il campo magnetico e la variazione della sua energia è responsabile della produzione di fotoni.

L'avvento dell'elettronica, a partire dalla quale è nata l'informatica, pone l'elettrone alla base dello sviluppo tecnologico del ventesimo secolo. Le sue proprietà vengono inoltre sfruttate in svariate applicazioni, come i tubi a raggi catodici, i microscopi elettronici, la radioterapia ed il laser.

L'elettrone appartiene inoltre alla classe delle particelle subatomiche dette leptoni, che si ritiene siano componenti fondamentali della materia (ovvero non possono essere scomposte in particelle più piccole).

Conservazione della carica elettricaModifica

La carica elettrica è una grandezza fisica conservativa, cioè la carica elettrica totale di un sistema fisico isolato rimane costante. Questa è una legge sperimentale fondamentale della natura, in quanto non è mai stata osservata una sua violazione. Un altro assunto è che la conservazione sia locale, ossia valga il teorema di Noether (v. anche legge di conservazione). Essa afferma che la variazione della densità spaziale di carica   entro un volume   è dovuta unicamente a quella che attraversa la superficie frontiera del detto volume essendo in movimento. L'equazione di continuità per la carica elettrica è quindi l'equazione differenziale:[7]

 

dove   è la densità di corrente e   la densità di carica.

Utilizzando il teorema della divergenza si ottiene la forma integrale:

 

dove   è la corrente elettrica.

L'equazione di continuità viene considerata nelle equazioni di Maxwell per correggere la legge di Ampère estendendone la validità al caso non stazionario. Infatti, applicando l'operatore divergenza alla quarta (con appunto la correzione di Maxwell):

 

e sostituendo al suo interno la prima:

 

si ottiene l'equazione di continuità.

Notazione relativisticaModifica

  Lo stesso argomento in dettaglio: Quadricorrente.

L'equazione di continuità può essere scritta in maniera molto semplice e compatta utilizzando la notazione relativistica. Si definisce in tale contesto il quadrivettore densità di corrente, la cui componente temporale è la densità di carica e quella spaziale è il vettore densità di corrente:

 

In questo modo l'equazione di continuità diventa:[8]

 

dove   è il quadrigradiente, dato da:

 

L'equazione di continuità si può scrivere anche come:

 

dove  [non chiaro] denota la derivata covariante.

Unità elettromagnetiche nel Sistema InternazionaleModifica

Simbolo Grandezza Unità Nome unità Uguaglianza con altre

unità di elettrodinamica

Unità MKSA
  Velocità   metro su secondo    
  Accelerazione   metro su secondo quadrato    
  Quantita di moto, Momento, Posizione   chilogrammi per metro su secondo    
  Forza   Newton    
  Energia   Joule    
  Potenza elettrica   Watt    
  Carica elettrica   Coulomb    
  Momento elettrico, Dipolo elettrico   Coulomb per metro    
  Corrente elettrica   Ampere    
  Densità di corrente elettrica   Ampere su metro quadro    
  Potenziale elettrico, Tensione elettrica   Volt    
  Flusso elettrico   Volt per metro    
  Campo elettrico   Volt su metro    
  Resistenza elettrica, Impedenza, Reattanza   Ohm    
  Resistività elettrica   Ohm per metro    
  Capacità elettrica, Capacitanza   Farad    
  Elastanza elettrica, Costante di coulomb su metro   Farad alla meno uno    
  Permittività elettrica, Costante elettrica   Farad su metro    
  Suscettività elettrica   adimensionale    
  Campo di spostamento elettrico   Coulomb su metro quadro    
  Polarizzazione elettrica   Coulomb su metro quadro    
  Conduttanza elettrica, Ammettenza, Suscettanza   Siemens    
  Conduttività elettrica, Conducibilità elettrica   Siemens per metro    
  Carica magnetica   Ampere per metro    
  Momento magnetico, Dipolo magnetico   Ampere per metro quadro    
  Densità di flusso magnetico, Induzione magnetica   Tesla    
  Flusso del campo magnetico   Weber    
  Potenziale magnetico, Potenziale vettore   Tesla per metro    
  Campo magnetico, Intesità del campo magnetico   Ampere-spira su metro    
  Polarizzazione magnetica, magnetizzazione   Ampere su metro    
  Induttanza elettrica, Coefficiente di autoinduzione   Henry    
  Coefficiente di mutua induzione, Permeanza   Henry-spire    
  Permeabilità magnetica, Costante magnetica   Henry su metro    
  Suscettività magnetica   adimensionale    
  Riluttanza   Henry alla meno uno    

NoteModifica

  1. ^ (ES) La carga eléctrica. Ley de Coulomb - hiru, su hiru.eus. URL consultato il 17 dicembre 2021.
  2. ^ CODATA Value: elementary charge, su physics.nist.gov, The NIST reference on constants, units and uncertanty. URL consultato il 17 dicembre 2021.
  3. ^ Arabatzis, pp. 70-74.
  4. ^ Dahl, pp. 122-185.
  5. ^ Wilson & Buffa, p. 138.
  6. ^ Pauling, pp. 4-10.
  7. ^ Mencuccini & Silvestrini, Pag. 175.
  8. ^ Jackson, Pag. 554.

BibliografiaModifica

Voci correlateModifica

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