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Cariche e campi elettrici

La carica è di due tipi, si conserva e viene in "pacchetti" di numero intero di e = 1.6 × 10⁻¹⁹ C. Due cariche puntiformi si respingono o si attraggono con F = kq₁q₂/r² (k = 9 × 10⁹ N m² C⁻²). Forze e campi di più cariche si sommano come vettori (sovrapposizione). Il campo E = F/q₀ di una carica puntiforme vale kq/r², e le linee di campo lo disegnano. Un dipolo (±q a distanza 2a) ha momento p = q·2a; in un campo uniforme ha forza totale zero ma un momento torcente τ = pE sinθ. Il flusso elettrico è Φ = E·A, e la legge di Gauss dice che il flusso uscente da una superficie chiusa è q_interna/ε₀: con essa si trova subito E per un filo lungo (λ/2πε₀r), un piano (σ/2ε₀) e un guscio sferico sottile (kq/r² fuori, 0 dentro).

🎬 Storia passo dopo passo

  1. Strofina una bacchetta di vetro con la seta. Alcuni elettroni passano dal vetro alla seta. Il vetro diventa +, la seta diventa −, e la carica totale resta zero. La carica non si crea e non si distrugge: si sposta soltanto.
  2. Due cariche si respingono o si attraggono. La forza diventa più debole con il quadrato della distanza: se raddoppi la distanza, la forza diventa un quarto. Metti una terza carica vicino: le forze su di essa si sommano come frecce (vettori).
  3. Una carica cambia lo spazio intorno a sé. Chiamiamo questo il campo elettrico. Le linee di campo partono dalle cariche + e finiscono sulle −. Linee fitte significano campo forte.
  4. Un dipolo è una carica + e una − attaccate vicine. In un campo uniforme le due spinte sono uguali e opposte, quindi il dipolo non si sposta, ma ruota. L'effetto di rotazione è τ = pE sinθ.
  5. Avvolgi una carica con una superficie chiusa immaginaria. Conta le linee di campo che escono: questo è il flusso. Legge di Gauss: flusso = carica interna ÷ ε₀. Usala per un filo, un piano e un guscio.
  6. Gioco libero: scegli una scena, cambia le cariche, la distanza, l'angolo o la forma, e leggi cosa succede sotto il 3D.

Suggerimento: trascina la scena 3D per ruotarla. Usa due dita per zoomare.

🤔 Dubbi comuni, chiariti

Quando strofino una bacchetta, la carica viene creata?

No. Gli elettroni passano soltanto da un oggetto all'altro. Nel 3D il conteggio del vetro sale di +1 proprio quando quello della seta scende di −1, quindi il totale resta 0.

Perché la forza cala così in fretta con la distanza?

Lo stesso campo si distribuisce su una sfera la cui area cresce come r². Sposta il cursore della distanza da 3 m a 6 m: la forza mostrata scende a un quarto.

Come trovo la forza netta quando ci sono tre cariche?

Somma le frecce, non i numeri. Nel 3D le frecce rossa e blu sulla carica piccola si combinano nella freccia verde: quella è la somma vettoriale.

Le linee di campo sono reali?

No, sono uno strumento di disegno. Ma il campo è reale. Il 3D mostra le linee che escono da + ed entrano in − quando cambi il segno.

Se la forza netta su un dipolo è zero, perché si muove?

Non si sposta; ruota soltanto. Le due forze sono uguali e opposte ma su rette diverse, quindi formano una coppia. Imposta θ = 90° per vedere il momento massimo, poi premi Let go.

Perché E è zero dentro un guscio carico?

Una sfera gaussiana dentro il guscio non racchiude carica, quindi flusso ed E sono zero. Scegli 'Sphere' nella scena di Gauss: tutte le linee partono dalla carica del guscio e vanno verso l'esterno.

Perché E di un piano non dipende dalla distanza?

Le linee di un piano infinito sono tutte parallele, quindi non si allargano mai. Scegli 'Sheet' nella scena di Gauss e guarda le linee dritte e a distanza uguale su entrambi i lati.

Carica elettrica e sua conservazione

La carica è una proprietà della materia che fa respingere o attrarre gli altri oggetti carichi. Ce ne sono due tipi: positiva (+) e negativa (−). Cariche dello stesso segno si respingono. Cariche di segno opposto si attraggono.

Tre fatti di base

Modi di caricare un corpo

Per strofinio (lo sfregamento sposta gli elettroni), per contatto (toccando, la carica si divide) e per induzione (avvicini una bacchetta carica, colleghi a terra il lato lontano, togli la terra, poi la bacchetta: l'oggetto resta con la carica opposta). I conduttori lasciano muovere la carica liberamente; gli isolanti no.

Provalo: strofina un righello di plastica sui capelli asciutti e avvicinalo a un filo sottile d'acqua del rubinetto. Il filo si piega verso il righello: è la carica indotta che viene attirata.

Legge di Coulomb

La forza tra due cariche puntiformi q₁ e q₂ a distanza r nel vuoto è

F = k q₁q₂ / r², con k = 1/(4πε₀) = 9 × 10⁹ N m² C⁻² e ε₀ = 8.85 × 10⁻¹² C² N⁻¹ m⁻².

Forma vettoriale: F₁₂ = k q₁q₂ r̂₂₁ / r², dove r̂₂₁ punta da q₂ verso q₁. Vale il terzo principio di Newton: F₁₂ = −F₂₁.

1 coulomb è la carica che, messa a 1 m da una carica uguale nel vuoto, la respinge con 9 × 10⁹ N – una forza enorme, perciò le cariche reali in laboratorio sono in µC o nC.

Forze tra molte cariche: il principio di sovrapposizione

Quando ci sono molte cariche, ogni coppia agisce come se le altre non ci fossero. La forza netta su una carica è la somma vettoriale delle forze di tutte le altre:

F₁ = F₁₂ + F₁₃ + F₁₄ + …

Come risolvere

  1. Disegna ogni forza come una freccia (repulsione = verso l'esterno, attrazione = verso l'altra carica).
  2. Trova il valore di ciascuna con la legge di Coulomb.
  3. Scomponi in parti x e y, somma ogni parte, poi ricomponi: F = √(Fx² + Fy²).

La simmetria fa risparmiare tempo: cariche uguali ai vertici di un quadrato o di un triangolo equilatero danno forza netta zero al centro.

Distribuzione continua di carica

Su un'asta, un piano o una sfera carichi la carica è distribuita, quindi usiamo le densità:

Tagliamo il corpo in pezzettini minuscoli dq = λdl, σdA o ρdV, trattiamo ciascuno come una carica puntiforme e sommiamo (integriamo) i loro campi: E = ∫ k dq r̂ / r². La legge di Gauss (sotto) evita questo integrale quando la forma è molto simmetrica.

Campo elettrico di una carica puntiforme

Il campo elettrico in un punto è la forza su una piccola carica di prova positiva q₀ messa lì, per unità di carica: E = F / q₀. Unità: N/C (uguale a V/m). È un vettore.

Per una carica puntiforme q: E = kq / r², diretto verso l'esterno da + e verso l'interno per −. Quando conosci E, la forza su qualsiasi carica q è semplicemente F = qE.

La carica di prova deve essere piccolissima, così non sposta le cariche sorgenti. Anche il campo di molte cariche si somma come vettore.

Linee di campo elettrico

Una linea di campo è una curva la cui tangente in ogni punto indica la direzione di E.

Immagini: un solo + (linee dritte verso l'esterno), un solo − (linee dritte verso l'interno), + e − uguali (le linee si curvano da + a −), due cariche + uguali (le linee si spingono via con un punto neutro vuoto in mezzo) e un campo uniforme (linee parallele a distanza costante).

Dipolo elettrico e suo campo

Un dipolo elettrico è una coppia +q e −q separate da una piccola distanza 2a. Il suo momento di dipolo è p = q × 2a, un vettore che va da − a +. Unità: C m. Le molecole d'acqua sono dipoli naturali.

Campo sull'asse (in linea)

A distanza r dal centro lungo l'asse: E = 2kpr / (r² − a²)², che per r ≫ a diventa E_assiale = 2kp / r³, lungo p.

Campo sull'equatore (di fianco)

Sull'asse perpendicolare al centro: E = kp / (r² + a²)^{3/2}, che per r ≫ a diventa E_eq = kp / r³, opposto a p.

Quindi lontano da un dipolo E cala come 1/r³, più in fretta di una carica singola (1/r²), perché + e − quasi si annullano. E E_assiale = 2 × E_eq alla stessa distanza.

Idea della dimostrazione (assiale)

La carica + è a distanza r − a e la carica − a distanza r + a. E = kq/(r − a)² − kq/(r + a)² = kq·4ar/(r² − a²)² = 2kpr/(r² − a²)².

Momento torcente su un dipolo in un campo uniforme

In un campo uniforme E, l'estremità + sente qE lungo E e l'estremità − sente qE in verso opposto. Forza netta = 0, quindi il dipolo non si sposta. Ma le due forze stanno su rette diverse, quindi formano una coppia:

τ = (qE)(2a sinθ) = pE sinθ, oppure in forma vettoriale τ = p × E.

In un campo non uniforme le due forze sono diverse, quindi c'è anche una forza netta – per questo un pettine carico attira la carta neutra (i dipoli indotti nella carta sono in un campo non uniforme).

Flusso elettrico

Il flusso elettrico attraverso una superficie misura quante linee di campo la attraversano:

Φ = E · A = EA cosθ, dove θ è l'angolo tra E e la normale uscente dell'area. Unità: N m² C⁻¹ (o V m). Scalare.

Legge di Gauss e sue applicazioni: filo, piano, guscio sferico sottile

Legge di Gauss: il flusso totale uscente da qualsiasi superficie chiusa è uguale alla carica racchiusa divisa per ε₀: ∮E·dA = q_int / ε₀. Le cariche fuori dalla superficie danno flusso netto zero (ogni linea che entra esce anche).

Ricetta: scegli una superficie chiusa immaginaria (una superficie gaussiana) su cui E ha lo stesso valore ed è lungo oppure perpendicolare alla superficie.

1. Filo rettilineo infinitamente lungo (carica λ per metro)

Cilindro di raggio r, lunghezza l. Il flusso passa solo dal lato curvo: E(2πrl) = λl/ε₀ → E = λ / (2πε₀r), diretto radialmente verso l'esterno. E ∝ 1/r.

2. Piano infinito (σ per m²)

Piccolo cilindro che attraversa il piano con area di base A. Flusso attraverso le due basi: 2EA = σA/ε₀ → E = σ / (2ε₀). Uguale a ogni distanza.

3. Guscio sferico sottile (carica q, raggio R)

Sfera di raggio r. Fuori (r > R): E(4πr²) = q/ε₀ → E = kq/r², come se tutta la carica fosse al centro. Dentro (r < R): nessuna carica racchiusa → E = 0. Sulla superficie: E = kq/R² = σ/ε₀.

La stessa legge di Coulomb segue dalla legge di Gauss applicata a una sfera intorno a una carica puntiforme.

Cosa serve per l'esame

Le Unità I e II insieme valgono circa 16 punti. Richieste comuni: enuncia e dimostra (campo assiale/equatoriale del dipolo, momento torcente su un dipolo, E di filo/piano/guscio con la legge di Gauss), disegna le linee di campo, un esercizio da 2–3 punti sulla forza di Coulomb con sovrapposizione e una domanda sul flusso. Disegna sempre la superficie gaussiana nelle dimostrazioni.

Formule e definizioni chiave

Esempi svolti

1. Quanti elettroni bisogna togliere a un corpo neutro per dargli +3.2 µC?

n = q/e = 3.2 × 10⁻⁶ / 1.6 × 10⁻¹⁹ = 2 × 10¹³ elettroni.

2. Due cariche +2 µC e −3 µC sono a 30 cm di distanza in aria. Trova la forza.

F = 9 × 10⁹ × 2 × 10⁻⁶ × 3 × 10⁻⁶ / (0.3)² = 0.054/0.09 = 0.6 N, attrattiva.

3. La forza tra due cariche è 16 N. La distanza viene raddoppiata e ogni carica dimezzata. Qual è la nuova forza?

F ∝ q₁q₂/r². Nuova = 16 × (½ × ½) / 2² = 16 × ¼ / 4 = 1 N.

4. Cariche +1 µC in A e +4 µC in B sono a 3 m di distanza. In quale punto tra loro la forza netta su una terza carica è zero?

Sia x la distanza da A. k(1)/x² = k(4)/(3 − x)² → (3 − x) = 2x → x = 1 m da A (la carica più piccola).

5. Tre cariche di +2 µC ciascuna stanno ai vertici di un triangolo equilatero di lato 10 cm. Trova la forza su una di esse.

Ogni forza = 9 × 10⁹ × (2 × 10⁻⁶)² / 0.01 = 3.6 N. Angolo tra le due forze = 60°. F = √(3.6² + 3.6² + 2 × 3.6² cos60°) = 3.6√3 ≈ 6.24 N, lungo la bisettrice verso l'esterno.

6. Un dipolo ha cariche ±5 nC, a 2 mm di distanza. Trova p e il campo a 10 cm sul suo asse.

p = 5 × 10⁻⁹ × 2 × 10⁻³ = 10⁻¹¹ C m. E_assiale = 2kp/r³ = 2 × 9 × 10⁹ × 10⁻¹¹ / 10⁻³ = 180 N/C, lungo p.

7. Un dipolo di momento 4 × 10⁻⁹ C m forma 30° con un campo uniforme di 5 × 10⁴ N/C. Trova il momento torcente.

τ = pE sinθ = 4 × 10⁻⁹ × 5 × 10⁴ × 0.5 = 1 × 10⁻⁴ N m.

8. Un quadrato di lato 10 cm sta in un campo uniforme di 200 N/C. Il campo forma 60° con la normale. Trova il flusso.

Φ = EA cosθ = 200 × 0.01 × 0.5 = 1 N m² C⁻¹.

9. Un filo lungo porta λ = 2 µC/m. Trova E a 20 cm.

E = 2kλ/r = 2 × 9 × 10⁹ × 2 × 10⁻⁶ / 0.2 = 1.8 × 10⁵ N/C, radialmente verso l'esterno.

10. Un guscio di raggio 10 cm ha +8 nC. Trova E a 5 cm e a 20 cm dal centro.

A 5 cm (dentro): E = 0. A 20 cm: E = 9 × 10⁹ × 8 × 10⁻⁹ / 0.04 = 1800 N/C.

Errori comuni

Quiz di allenamento

1. La più piccola carica che può esistere libera è:
2. Se la distanza tra due cariche diventa il triplo, la forza diventa:
3. La forza netta su un dipolo in un campo uniforme è:
4. Il campo elettrico dentro un guscio sferico sottile carico è:
5. E dovuto a un piano infinito di carica:

Esercizi: rispondi da solo

Scrivi o scegli la risposta, poi premi Controlla. Usa un suggerimento se sei bloccato; la soluzione completa appare dopo la tua risposta.

Domande frequenti

Qual è la differenza tra la legge di Coulomb e la legge di Gauss?

La legge di Coulomb dà la forza tra due cariche puntiformi. La legge di Gauss collega il flusso attraverso una superficie chiusa alla carica che sta dentro. Per una carica puntiforme ciascuna si può ricavare dall'altra, ma la legge di Gauss è più rapida per forme simmetriche come fili, piani e gusci.

Perché le linee di campo non si incrociano mai?

In un punto di incrocio ci sarebbero due tangenti, cioè E punterebbe in due direzioni insieme. Il campo in un punto ha una sola direzione, quindi le linee non possono incrociarsi.

Cariche e campi elettrici sono importanti per l'esame di fisica di Classe 12 (CBSE)?

Sì. Le Unità I e II insieme valgono circa 16 punti, e le dimostrazioni su campo del dipolo, momento torcente e applicazioni della legge di Gauss escono quasi ogni anno.

Dove si studia

Canada (Ontario)Grade 12D. Gravitational, Electric, and Magnetic Fields
ItalySecondaria di secondo grado – classe 3ªClassical physics
ItalySecondaria di secondo grado – classe 4ªClassical physics
ItalySecondaria di secondo grado – classe 5ª (esame di Stato)Electromagnetism
NetherlandsVWO 6 (eindexamenjaar)Charge and field (part 2)
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IIElectrostatics
PolandLiceum ogólnokształcące, klasa IIIElectrostatics
RomaniaClasa a VIII-aElectric and magnetic phenomena
Spain2º BachilleratoElectromagnetic field
CBSE (India)Class 12Electrostatics
England (GCSE, A level)Year 133.7 Fields and their consequences
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Electric Force, Field, and Potential
USA (Common Core, NGSS, AP)Grade 12Electric Charges, Fields, and Gauss's Law
Japan高校3年Electricity and magnetism
South Korea고등학교 2학년Electromagnetic interaction
South Korea고등학교 2학년Electricity and magnetism
South Korea고등학교 3학년Electromagnetic fields
Germany (Bavaria)Jahrgangsstufe 12Static electric and magnetic fields
FrancePremièreMotion and interactions
Russia10 классElectrostatics
Russia10 классElectrodynamics: electrostatics

Da studiare prima

Da studiare dopo

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