Carica elettrica

La carica elettrica è una proprietà fondamentale della materia distinta dalle altre proprietà delle particelle, quali massa, colore, temperatura eccetera. La carica elettrica è quella proprietà delle particelle grazie alla quale si manifesta la forza di Coulomb. Le caratteristiche principali sono:

  • è una grandezza fisica scalare dotata di segno (positivo oppure negativo) pertanto descrivibile mediante un numero che non dipende dal sistema di riferimento;
  • può essere di due tipi, in base al segno avremo cariche positive oppure cariche negative, che producono effetti elettrostatici differenti, rispettivamente di attrazione tra cariche di segno opposto e di repulsione tra cariche di ugual segno;
  • è responsabile dell’interazione elettromagnetica tra i corpi, essendo sorgente del campo elettromagnetico;
  • è una grandezza quantizzata, ossia essa esiste solo in forma di multipli di una quantità fondamentale, ovvero della carica dell’elettrone, che viene definita come negativa ed indicata con \(^{-}e\).

Il moto orbitale dell’elettrone attorno al nucleo di un atomo genera un campo magnetico, mentre la variazione della sua energia e della sua accelerazione causano l’emissione di fotoni; è inoltre responsabile della conduzione della corrente elettrica e del calore.

Legge o principio di conservazione della carica elettrica

La legge di conservazione della carica elettrica enuncia che: in un sistema chiuso (cioè che non scambia materia con l’ambiente esterno, ma solo energia) la somma algebrica delle cariche elettriche si mantiene costante, qualunque siano i fenomeni che in esso hanno luogo.

Cariche elettriche fisse e mobili

Per meglio studiare i fenomeni elettrici è opportuno richiamare brevemente le proprietà dei vari materiali dal punto di vista della distribuzione di carica. Nei metalli il materiale è composto da un reticolo elastico cristallino di ioni positivi che non compiono movimenti macroscopici, ma si limitano ad oscillare attorno ad una posizione di riposo. Tale oscillazione corrisponde all’agitazione termica. Questo reticolo cristallino è permeato da un gas di elettroni liberi, in grado di muoversi liberamente nel reticolo ed urtando continuamente gli ioni del reticolo.

Nei semiconduttori (ad es. il silicio o il germanio) si ha invece un reticolo cristallino di atomi in larghissima maggioranza della stessa specie, tetravalenti ed elettricamente neutri. Alcuni atomi di elementi diversi, pentavalenti (drogaggio N) o trivalenti (drogaggio P), sono distribuiti in tale reticolo, sostituendo gli atomi di semiconduttore. La differente valenza di queste impurità del reticolo fa si che essi perdano (nel caso del drogaggio N) o acquistino molto facilmente un elettrone (nel caso del drogaggio P), diventando degli ioni fissi, rispettivamente positivi e negativi.

L’elettrone lasciato libero da un’impurità pentavalente diventa a tutti gli effetti un elettrone libero di muoversi nel reticolo, come nel caso dei metalli. In modo duale, quando un elemento trivalente acquista un elettrone, nella stragrande maggioranza dei casi lo fa a spese di un vicino atomo di semiconduttore, che si trasforma a sua volta in uno ione positivo il quale, a sua volta, può catturare un altro elettrone da un altro atomo vicino. Il risultato di ciò è un movimento equivalente di una carica positiva, detta lacuna, nel reticolo cristallino. Quando un elettrone libero incontra una lacuna, si ricombina con essa rendendo neutro l’atomo che lo aveva perso. Elettroni liberi e lacune vengono continuamente generati per effetto dell’agitazione termica ma, in un semiconduttore drogato, si ha una netta maggioranza di elettroni o di lacune, a seconda del drogaggio.

Nelle soluzioni elettrolitiche i materiali in soluzione si dissociano in ioni di specie chimica diversa e ionizzazione opposta (ad esempio, il sale da cucina NaCl in acqua dà luogo alla scissione in ioni Na+ e Cl ). Tali ioni si muovono liberamente nella massa del liquido ed interagiscono con le sue molecole urtandole continuamente.

Nei dielettrici o isolanti, infine, non si hanno idealmente cariche libere, rimanendo gli elettroni stabilmente legati agli atomi. Per effetto di una forza di natura elettrica applicata al materiale, tuttavia, si può assistere ad una deformazione di tipo reversibile delle molecole, che tendono a ruotare attorno alla loro posizione di equilibrio. Si può anche aver una modifica della distribuzione degli elettroni degli orbitali più esterni delle molecole, con conseguente loro concentrazione in alcune zone, che porta alla generazione dei cosiddetti dipoli elettrici. Tali fenomeni di norma scompaiono alla cessazione della forza esterna. Questo fenomeno, che viene comunemente chiamato polarizzazione.

Se l’entità della forza elettrica presente nel materiale supera una data soglia, detta rigidità dielettrica, essa può essere sufficiente per strappare gli elettroni degli orbitali più esterni degli atomi. Tali elettroni diventano a tutti gli effetti elettroni liberi, in grado di compiere spostamenti macroscopici nel materiale. Nel fare ciò, gli elettroni possono acquistare energia cinetica e collidere con altri elettroni, strappandoli a loro volta dagli atomi. In tal modo il fenomeno può autosostenersi provocando la scarica o perforazione del materiale.

Nel caso dei solidi tale scarica ha normalmente effetti irreversibili, mentre nei dielettrici liquidi e gassosi l’isolamento viene ripristinato non appena viene meno la forza elettrica esterna e gli elettroni si legano di nuovo agli atomi ionizzati. A parte il vuoto, i dielettrici reali hanno sempre una certa densità, estremamente piccola, ma non nulla, di cariche libere. Tutti i fenomeni conduttivi in cui si ha l’urto delle cariche mobili con gli atomi del reticolo o della soluzione causano dissipazione di energia, pertanto avvengono solo in presenza di forze agenti sui portatori di carica.

Trasporto di carica elettrica (conduzione elettrica)

Se si mette in comunicazione una regione negativa (con eccesso di elettroni) con una regione positiva (in cui vi è mancanza di elettroni) mediante un mezzo materiale conduttore, gli elettroni sono dotati dell’energia di attrazione che li fa spostare dalla regione negativa alla regione positiva.

Questo movimento ordinato di elettroni, a cui abbiamo già dato il nome di corrente elettrica, è un esempio di conduzione elettrica. Perché ci sia corrente elettrica attraverso un materiale occorre che: ci siano cariche libere e che venga fornita energia alle cariche libere.

Quanto detto prima può essere espresso in modo equivalente con termini più specifici. Perché ci sia corrente elettrica attraverso un materiale , occorre che il materiale: sia conduttore e che sia sottoposto ad una differenza di potenziale.

La differenza di potenziale ai capi del conduttore può essere ottenuta con un dispositivo che ad una delle sue estremità crea un eccesso di elettroni (polo negativo) mentre all’altra estremità una carenza di elettroni. Questo dispositivo è denominato generatore. Il ruolo del generatore è analogo a quello di una pompa idraulica: esso aspira gli elettroni esterni dal suo terminale positivo e li fa defluire internamente verso il terminale negativo. La pila è un esempio di generatore elettrico.

Tra i due terminali del generatore si interpone normalmente non solo il conduttore ma anche un utilizzatore elettrico. Anche l’utilizzatore elettrico è un dispositivo dotato di due terminali; da un terminale entra la corrente elettrica e dall’altro essa esce. Un classico esempio di utilizzatore elettrico è la lampadina ad incandescenza. Ricorrendo ancora all’analogia idraulica, la pompa può essere collegata tramite delle condutture ad una ruota idraulica. La ruota idraulica acquista energia cinetica che a sua volta può essere utilizzata per compiere un lavoro.