Forza di Coulomb

La forza di Coulomb è repulsiva nel caso le cariche abbiano segno uguale, attrattiva altrimenti.

In fisica, la forza di Coulomb, descritta dalla legge di Coulomb, è la forza esercitata dal campo elettrico la cui sorgente è dunque la carica elettrica. Si tratta della forza che agisce tra oggetti elettricamente carichi, ed è operativamente definita dal valore dell'interazione tra due cariche elettriche puntiformi e ferme nel vuoto.

Storia

Fino alla metà del XVIII secolo, erano noti solo gli aspetti qualitativi della forza elettrica: gli scienziati, quindi, iniziarono a studiarne anche le proprietà quantitative, così che si fece strada l'idea di una somiglianza con la forza di gravità, ovvero:

• una costante universale indipendente dal sistema di misura adottato;
• una proporzionalità diretta con la prima potenza delle particelle puntiformi interagenti;
• proporzionalità inversa con il quadrato della distanza.
  

Tra il 1777 e il 1785 fu Charles Augustin de Coulomb a provare sperimentalmente che effettivamente la forza elettrica era proporzionale all'inverso del quadrato della distanza, ma non fu il primo dato che gli stessi esperimenti di Coulomb furono precedentemente condotti dall'inglese Henry Cavendish, il quale per la sua bizzarra personalità non pubblicò la maggior parte dei suoi lavori. Questo è stato il primo tentativo di capire il funzionamento della forza elettrica.

Formulazione

Si considerino due cariche puntiformi interagenti, il cui valore (positivo o negativo) è indicato con $q_1$ e $q_2$, nelle posizioni $\mathbf r_1$ e $\mathbf r_2$. La forza di Coulomb è la forza esercitata da $q_2$ su $q_1$ (o, in modo equivalente, da $q_1$ su $q_2$), e ha l'espressione:

$\mathbf F = k \, q_1 \, q_2 \, \frac {\mathbf r_1 - \mathbf r_2}{\left \| \mathbf r_1 - \mathbf r_2 \right \|^3}$

dove $k$ è la costante di Coulomb, che è pari a:

$k = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0}=\frac{c_0^2\mu_0}{4\pi}=c_0^2\cdot10^{-7}\mathrm{H\ m}^{-1} = 8.987\ 551\ 787\ 368\ 176\ 4\cdot10^9\mathrm{N\ m^2\ C}^{-2}$

con $\varepsilon_0$ la costante dielettrica del vuoto, il cui valore è:

$\varepsilon_0 = 8,854 \ 187 \ 82 \cdot 10^{-12}\ \mathrm{C^2 m^{-2} N^{-1}}$

Se $d=\left\|\mathbf r_1-\mathbf r_2\right\|$ è la distanza tra le cariche, il modulo $F = \left\| \mathbf F \right\|$ della forza è:

$F = k \frac {|q_1| |q_2|}{d^2}$

La forza tra due cariche è proporzionale al prodotto dei loro valori $q_1$ e $q_2$, inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza, ed è diretta come la congiungente $\mathbf r_1 - \mathbf r_2$ delle due cariche. Si tratta di una forza repulsiva nel caso le cariche abbiano segno uguale, attrattiva altrimenti.

La formula può essere estesa considerando cariche in presenza di altri materiali (non nello spazio vuoto) e non puntiformi. In generale, nella formula di Coulomb deve essere inserita la permittività elettrica del mezzo che separa le due cariche.

In presenza di un dielettrico la forza di Coulomb è diminuita in rapporto alla costante dielettrica relativa $\varepsilon_r = \varepsilon / \varepsilon_0$, dove $\varepsilon$ è la costante specifica del mezzo e $\varepsilon_0$ la permettività elettrica nel vuoto:

$F = \frac {1}{\varepsilon_r} \cdot k \frac {|q_1| |q_2|}{d^2}$.

Si noti che $\varepsilon_r > 1$, e quindi il dielettrico riduce la forza di interazione fra due cariche elettriche. La riduzione del campo elettrico è indipendente dalla massa dei dielettrici coinvolti, mentre varia con la loro disposizione spaziale. In secondo luogo, la formula di Coulomb può essere estesa a cariche non puntiformi. Le cariche non puntiformi possono essere considerate ricorrendo agli integrali.

Sperimentalmente si è verificato che la deviazione dell'esponente dal valore teorico 2 è minore di circa 10^-16.

Andamento del campo elettrico e del potenziale elettrico in funzione della distanza tra le cariche (uguali o di segno opposto).

Campo elettrostatico per una carica puntiforme nello spazio

Sistema di cariche puntiformi e caso continuo

Dato un numero n di cariche puntiformi $q_i$ distribuite nello spazio, per il principio di sovrapposizione il campo elettrostatico nella posizione $\mathbf r$ è dato dalla somma dei singoli contributi:

$\mathbf{F}(\mathbf{r}) = {q \over 4\pi\varepsilon_0}\sum_{i=1}^N {q_i(\mathbf{r} - \mathbf{r}_i) \over |\mathbf{r} - \mathbf{r}_i|^3}$

dove $q_i$ e $\mathbf{r}_i$ sono il valore e le posizioni della i-esima carica.

In generale, per una distribuzione continua di carica si ha:

$\mathbf E_0(\mathbf r) = \frac {1}{4 \pi \varepsilon_0} \iiint_{\Omega} \rho(\mathbf r')\frac {\mathbf r - \mathbf r'} {\left \| \mathbf r - \mathbf r' \right \|^3} \operatorname{d}x \operatorname{d}y \operatorname{d}z$

dove $\rho(\mathbf r)$ rappresenta la densità di carica nello spazio:

$\rho(\mathbf r) = \lim_{\Delta V \to 0}\frac{\Delta q}{\Delta V} = \frac{\operatorname{d}q}{\operatorname{d}V}$

e $\Omega$ rappresenta la regione di spazio occupata dalla distribuzione di carica.

Campo elettrostatico nel vuoto

Per approfondire, vedi Campo elettrico.

Nel vuoto, il campo elettrico $\mathbf E$ in un punto dello spazio è definito come la forza per unità di carica elettrica positiva alla quale è soggetta una carica puntiforme $q$, detta carica "di prova", se posta nel punto. Il vettore è quindi dato dal rapporto tra la forza elettrica agente sulla carica di prova ed il valore della carica stessa, purché la carica di prova sia sufficientemente piccola da provocare una perturbazione trascurabile sull'eventuale distribuzione di carica che genera il campo:

$\mathbf E = \frac {\mathbf F} {q_0}$

Il campo è indipendente dal valore della carica di prova usata, essendone indipendente il rapporto tra la forza e la carica stessa, e questo mostra che il campo elettrico è una proprietà caratteristica dello spazio. Dalla definizione si ricava che l'unità di misura del campo elettrico è $N / C$, che equivale a $V / m$.

Dalla legge di Coulomb segue che una carica $Q$ posta in $\mathbf r'$ genera un campo elettrico che in un punto qualsiasi $\mathbf r$ è definito dalla seguente espressione:

$\mathbf E(\mathbf r) = \frac {Q}{4 \pi \varepsilon_0} \frac {\mathbf r - \mathbf r'}{\left \| \mathbf r - \mathbf r' \right \|^3}$

dove $\varepsilon_{0}$ è la costante dielettrica nel vuoto.

Bibliografia

• Enrico Turchetti; Romana Fasi, Elementi di Fisica, 1^a ed., Zanichelli, 1998. ISBN 8808097552
• Corrado Mencuccini; Vittorio Silvestrini, Fisica II, Napoli, Liguori Editore, 2010. ISBN 978-88-207-1633-2
• John D Jackson, Classical Electrodynamics, 3rd Edition, Wiley, 1999. ISBN 047130932X

Voci correlate

• Elettrostatica
• Campo elettrico
• Campo magnetico
• Campo elettromagnetico
• Barriera di potenziale
• Coulomb
• Pressione elettrostatica

Altri progetti

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Collegamenti esterni

• (EN) IUPAC Gold Book, "Coulomb repulsion"

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