LA LEGGE DI COULOMB La legge di Coulomb descrive la forza che si esercita tra due cariche elettriche puntiformi, ovvero di dimensioni trascurabili rispetto alla loro distanza Charles Augustin de Coulomb (1736-1806)

LA LEGGE DI COULOMB Per misurare le forze elettriche Coulomb utilizzò un dinamometro di precisione, la BILANCIA DI TORSIONE

LA LEGGE DI COULOMB Un’asta (bilanciere) regge due sferette metalliche identiche, 1 e 2. Il bilanciere è collegato ad un filo di quarzo retto da un dispositivo di sospensione

+ + + + LA LEGGE DI COULOMB Alle due sferette del bilanciere vengono accostate altre due sfere, A e B, e tutte vengono caricate elettricamente (nell’esempio con carica positiva) + + + +

+ + + + + LA LEGGE DI COULOMB Le forze elettriche esercitate tra le sferette provocano una rotazione del bilanciere e quindi una torsione del filo + + + + +

+ + + + + LA LEGGE DI COULOMB L’angolo di rotazione viene rilevato da un raggio di luce riflesso dallo specchio solidale col filo. Questo angolo misura direttamente la forza applicata + + + + +

LA LEGGE DI COULOMB La legge viene ricavata variando diversi parametri, ma gli unici che risultarono influenti furono: La distanza tra le sferette La carica elettrica delle sferette

LA LEGGE DI COULOMB La legge di Coulomb è ricavata dai dati sperimentali sul modello di quella di Newton della gravitazione

LA LEGGE DI COULOMB Due corpi puntiformi carichi esercitano l’uno sull’altro una forza direttamente proporzionale al prodotto delle cariche e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza B rAB A

LA LEGGE DI COULOMB La costante di proporzionalità viene per convenzione scritta in questo modo: Dove εo è detta COSTANTE DIELETTRICA DEL VUOTO

LA LEGGE DI COULOMB La legge di Coulomb diventa così:

LA LEGGE DI COULOMB La legge così scritta è valida solo NEL VUOTO. Se le cariche si trovano in un mezzo materiale si introduce una costante correttiva εr detta COSTANTE DIELETTRICA DEL MEZZO

LA LEGGE DI COULOMB La legge diventa così:

LA LEGGE DI COULOMB La costante dielettrica del mezzo varia a seconda del materiale, ed è solitamente maggiore di uno: questo significa che la forza elettrostatica è di solito inferiore nella materia piuttosto che nel vuoto

LA LEGGE DI COULOMB La costante dielettrica relativa del vuoto è uguale a 1 Nei gas è di poco superiore a 1 La costante dielettrica è un numero puro, non ha unità di misura L’acqua ha una costante particolarmente elevata, circa 76; questo significa che le forze elettriche nell’acqua sono 76 volte più deboli che nel vuoto. Ciò spiega perché un solido ionico, il cui legame è elettrostatico, si scioglie in acqua

LA LEGGE DI COULOMB L’esistenza della costante dielettrica relativa si spiega col fatto che le molecole, benché elettricamente neutre, sono polarizzate, cioè dotate di un polo positivo e uno negativo

LA LEGGE DI COULOMB Un esempio eclatante, anche se non semplice, è l’acqua in cui dalla parte dell’ossigeno vi è un forte polo negativo + - -

LA LEGGE DI COULOMB Solitamente le molecole sono orientate a caso, così che gli effetti di tutti i poli microscopici si annullano e non danno alcun effetto macroscopico

LA LEGGE DI COULOMB - + Ma in presenza di un campo elettrico, come quello prodotto tra le piastre di un condensatore carico, le molecole si orientano tutte allo stesso modo con i poli rivolti verso la piastra di segno opposto

LA LEGGE DI COULOMB - + + - Questo provoca un accumulo di poli positivi vicino alla piastra negativa e viceversa, con una conseguente riduzione della forza elettrica

LA LEGGE DI COULOMB - + E’ da notare che la carica sulle piastre è solo SCHERMATA non scaricata; se si rimuove il mezzo materiale la carica delle piastre rimane invariata

LA LEGGE DI COULOMB La polarizzazione delle molecole spiega perché anche gli isolanti privi di carica possono essere attratti da corpi carichi elettricamente

LA LEGGE DI COULOMB Le molecole del pezzo di carta sono orientate per effetto della penna carica negativamente e rivolgono di essa i loro poli positivi - - - - - + + + + - - - -

LA LEGGE DI COULOMB Se allontaniamo la penna l’effetto della polarizzazione sparisce perché l’agitazione termica delle molecole distrugge immediatamente l’allineamento - - - - -

LA LEGGE DI COULOMB Non tutte le molecole sono polarizzate; per esempio quella della CO2 non lo è; potremmo pensare che in questo caso non vi è riduzione del campo elettrico

LA LEGGE DI COULOMB Ma non è così; infatti la CO2 non ha una costante dielettrica pari a 1, come il vuoto, ma 1,001

LA LEGGE DI COULOMB Molecola non polare Ciò si spiega per il fatto che in presenza di un campo elettrico una molecola non polare si deforma e diventa polare - + Formazione di poli per lo spostamento della nube elettronica verso la piastra positiva

LA LEGGE DI COULOMB La polarizzazione di un dielettrico è apparentemente simile a quella che subisce un conduttore posto vicino a un corpo carico (induzione elettrostatica) CORPO INDUCENTE + + + + + _ _ _ + + + CORPO INDOTTO

LA LEGGE DI COULOMB La somiglianza però è solo apparente: in un conduttore vi è un effettivo spostamento di particelle cariche, e nella parte negativa si crea una maggior densità di elettroni _ _ MAGGIORE DENSITA’ DI ELETTRONI _ + + + MINORE DENSITA’ DI ELETTRONI

LA LEGGE DI COULOMB - Nel caso della polarizzazione di un dielettrico c’è solo un diverso orientamento della molecola, senza spostamento di carica + -

LA LEGGE DI COULOMB Se colleghiamo a terra un conduttore soggetto a induzione possiamo caricarlo elettricamente, cosa impossibile per un isolante CORPO INDUCENTE + + + + + _ _ _ CORPO INDOTTO