La carica elettrica è una proprietà fisica fondamentale della materia e, in particolare, delle particelle subatomiche protoni ed elettroni. Proprio come gli atomi hanno massa, queste particelle hanno carica e c'è una forza elettrica e un campo elettrico associati a questa carica.
Proprietà della carica elettrica

La carica elettrica è disponibile in due varietà: carica positiva e carica negativa , che, come suggeriscono i loro nomi, hanno segni opposti (a differenza della massa, che ha solo una varietà). Gli oggetti con carica elettrica esercitano una forza elettrica l'uno sull'altro, proprio come fanno gli oggetti con massa tramite la forza gravitazionale. Ma invece di essere sempre una forza attrattiva, come con la massa, le cariche opposte si attraggono mentre le cariche simili si respingono.

L'unità di carica SI è il coulomb (C). Un coulomb è definito come la quantità di carica che può essere trasferita da un ampere di corrente elettrica in un secondo. I portatori di carica fondamentali sono il protone, con carica + e
, e l'elettrone, con carica -e
, dove la carica elementare e
\u003d 1.602 × 10 < sup> -19 C.

La carica netta su un oggetto è il numero di protoni N _{p
meno il numero di elettroni N e
volte e
:
\\ text {net charge} \u003d (N_p - N_e) e}

La maggior parte degli atomi è elettricamente neutra, il che significa che hanno un uguale numero di protoni ed elettroni, quindi la loro carica netta è 0 C. Se un atomo guadagna o perde elettroni, viene chiamato ione e avrà una carica netta diversa da zero. Gli oggetti con carica netta presentano elettricità statica e possono aggrapparsi l'un l'altro a causa di una forza che dipende dalla quantità di carica.

Si noti che questo trasferimento di elettroni tra atomi o tra oggetti non comporta anche cambiamenti significativi in massa degli oggetti. Questo perché, mentre i protoni e gli elettroni hanno la stessa entità di carica, hanno masse molto diverse. La massa di un elettrone è 9,11 × 10 ^{-31 kg mentre la massa di un protone è 1,67 × 10 -27 kg. Un protone è più di 1.000 volte più pesante di un elettrone!
Legge di Coulomb: Formula}

La legge di Coulomb fornisce la forza elettrostatica F
tra due cariche, q _{1
e q 2
a distanza r
a parte:
F \u003d k \\ frac {q_1q_2} {r ^ 2}}

Where k
è la costante di Coulomb \u003d 8.99 × 10 ^{9 Nm 2 /C 2.}

Nota che questa forza è un vettore, che punta lungo una linea diretta lontano dal altra particella se le cariche sono uguali e verso l'altra particella se le cariche sono opposte.

La legge di Coulomb, proprio come la forza di gravità tra due masse, è una legge quadrata inversa. Ciò significa che diminuisce come il quadrato inverso della distanza tra due cariche. In altre parole, le cariche che sono due volte distanti subiscono un quarto della forza. Ma mentre questa carica diminuisce con la distanza, non va mai a zero e quindi ha un intervallo infinito.
Esempi da studiare

Esempio 1: Una carica di + 2_e_ e una carica di -4_e_ sono separate da una distanza di 0,25 cm. Qual è l'entità della forza di Coulomb tra di loro?

Usando la legge di Coulomb ed essendo sicuro di convertire cm in m, ottieni:
F \u003d k \\ frac {q_1q_2} {r ^ 2} \u003d (8.99 \\ times10 ^ 9) \\ frac {(2 \\ times 1.602 \\ times10 ^ {- 19}) (- 4 \\ times 1.602 \\ times 10 ^ {- 19})} {0.0025 ^ 2} \u003d 2.95 \\ times 10 ^ {-22} \\ text {N}

Esempio 2: Supponiamo che un elettrone e un protone siano separati da una distanza di 1 mm. Come si confronta la forza gravitazionale tra loro e la forza elettrostatica?

La forza gravitazionale può essere calcolata dall'equazione:
F_ {grav} \u003d G \\ frac {m_pm_e} {r ^ 2}

Dove la costante gravitazionale G
\u003d 6,67 × 10 ^{-11 m 3 /kgs 2.}

Il collegamento dei numeri dà:
F_ {grav } \u003d (6.67 \\ times 10 ^ {- 11}) \\ frac {(1.67 \\ times 10 ^ {- 27}) (9.11 \\ times 10 ^ {- 31})} {(1 \\ times 10 ^ {- 3} ) ^ 2} \u003d 1.015 \\ times 10 ^ {- 61} \\ text {N}

La forza elettrostatica è data dalla legge di Coulomb:
F_ {elec} \u003d k \\ frac {q_1q_2} {r ^ 2} \u003d (8.99 \\ times10 ^ 9) \\ frac {(1.602 \\ times 10 ^ {- 19}) (- 1.602 \\ times 10 ^ {- 19})} {(1 \\ times 10 ^ {- 3}) ^ 2} \u003d 2.307 \\ times 10 ^ {- 22} \\ text {N}

La forza elettrostatica tra il protone e l'elettrone è più di 10 ^{39 volte maggiore della forza gravitazionale!}