Carica elettrica

La bilancia di torsione di Coulomb usata per misurare la carica elettrica.

In fisica, la carica elettrica è una grandezza fisica scalare dotata di segno, ed è una proprietà fondamentale della materia. La carica elettrica è responsabile dell'interazione elettromagnetica, essendo sorgente del campo elettromagnetico.

La carica elettrica è una grandezza quantizzata, ossia essa esiste solo in forma di multipli di una quantità fondamentale: la carica dell'elettrone, che viene definita come negativa ed indicata con −e.
Nel Sistema internazionale di unità di misura l'unità di carica è il coulomb che corrisponde a 6,24 × $10^{18}$ elettroni. Un elettrone possiede una carica il cui valore, inizialmente determinato da Robert Andrews Millikan tra il 1910 e il 1917, viene definito nella tabella delle costanti del CODATA ed è pari a:

$-e = \frac{-1C}{6{,}24 \times 10^{18}} = -1{,}602176565 \times 10^{-19} \ \mathrm{C} \, .$

Il protone ha invece carica pari a +e. Nella teoria dell'elettrodinamica quantistica, le particelle cariche interagiscono tramite emissione ed assorbimento di fotoni virtuali.

La quantizzazione della carica elettrica

Campo elettrico indotto da una carica positiva.

Campo elettrico indotto da una carica negativa.

La quantità minima di carica misurabile negli esperimenti attuali è quella dell'elettrone, tutte le altre cariche sono multipli interi di +e e -e. Secondo il modello standard della fisica, in realtà le cariche fondamentali delle particelle sarebbero ±e/3, ±2e/3 e ±e: ad esempio il quark down ha carica -e/3, il quark up ha carica 2e/3, mentre le loro antiparticelle hanno cariche opposte. Gli altri quark, di massa maggiore, hanno comunque cariche ±e/3 oppure ±2e/3. Resta un mistero da sciogliere da cosa derivi la carica dei quark e dell'elettrone, e come interpretare il fatto che, essendo per quanto se ne sa oggi punti privi di dimensione, gli elettroni avrebbero un campo elettrico divergente (tendente cioè all'infinito) nelle loro immediate vicinanze.

Anche se i quark trasportano una carica elettrica osservare un quark libero richiede un'energia estremamente elevata, che tuttora è al di là della portata degli acceleratori di particelle, a causa l'elevata intensità delle interazioni nucleari forti che li tiene uniti. Si pensa sia possibile l'esistenza di un plasma di quark e gluoni (QGP) liberi a circa 150 GeV, circa 1 · 10¹² K; i fisici cercano di ottenerlo facendo collidere tra loro nuclei pesanti, come l'oro, ad energie di circa 100 GeV per nucleone.

Oltre alla carica elettrica, si può definire anche una carica di colore, che introduce un ulteriore numero quantico, utilizzato per descrivere quark e gluoni, insieme al sapore, nella teoria della cromodinamica quantistica.

Conservazione della carica elettrica

La carica elettrica è una grandezza fisica conservativa, cioè la carica elettrica totale di un sistema fisico isolato rimane costante. Questo è un assioma fisico, che si suppone legge fondamentale della natura, in quanto non è mai stato osservato il caso opposto. Un altro assunto è che la conservazione sia locale, ossia valga il teorema di Noether (v. anche legge di conservazione). Essa viene così espressa matematicamente: la variazione della densità spaziale di carica $\rho$ entro un volume $V$ è pari al flusso della corrente $J$ attraverso la superficie $S$ che limita il detto volume (ossia, all'integrale di superficie)

$- \frac{\partial}{\partial t} \int_V \rho\, dV = \int_S \mathbf{J} \cdot \mathbf{dS} = I = - \frac{\partial Q}{\partial t}$

Inoltre, la carica elettrica totale di un sistema è un invariante relativistico (ossia il suo valore non dipende dal sistema di riferimento).

Notazione relativistica della conservazione della carica

L'equazione di continuità può essere scritta in maniera molto semplice e compatta utilizzando la notazione relativistica. Si definisce il quadrivettore densità di corrente J = (ρ, j;), la cui componente temporale ρ è la densità di carica e quella spaziale j è il vettore densità di corrente; in questo modo l'equazione di continuità diventa:

$\partial_\mu J^\mu = 0$

o anche

$\nabla J = 0$

La carica fondamentale: l'elettrone

L'elettrone è una particella subatomica che possiede: una carica elettrica negativa di q_e = 1,6 · 10⁻¹⁹ C (carica elementare), una massa di circa 9,10 · 10⁻³¹ kg (0,511 MeV/c²). Viene comunemente rappresentato dal simbolo e⁻; la sua antiparticella è il positrone che ha carica elettrica positiva.

Gli atomi consistono di un nucleo (formato da protoni e neutroni) circondato da elettroni. La massa dell'elettrone è circa 1/1836 di quella di neutroni e protoni.

L'elettrone appartiene alla classe delle particelle subatomiche dette leptoni, che si ritiene siano componenti fondamentali della materia (ovvero non possono essere scomposte in particelle più piccole). L'elettrone ha spin semi-intero pari a 1/2, il che implica che è un fermione, ovvero, rispetta la statistica di Fermi-Dirac e il principio di esclusione di Pauli secondo il quale non è possibile avere più elettroni identici nello stesso stato.

Voci correlate

• Condensatore (elettrotecnica)
• Campo elettrico
• Carica frazionaria
• Carica puntiforme
• Elettrizzazione
• Elettrostatica
• Legge di conservazione della carica elettrica
• Storia dell'elettricità
• Trasporto di carica elettrica

Portale Elettromagnetismo

Portale Meccanica quantistica