Carica e campo elettrico: spiegazione, formule ed esempio svolto

Tutto ciò che ti circonda è fatto di atomi, e dentro gli atomi vivono due tipi di carica elettrica: quella positiva dei protoni e quella negativa degli elettroni. Normalmente un corpo ha tante cariche positive quante negative, quindi è neutro, ma se gli strappi via o gli aggiungi qualche elettrone diventa carico: questo si chiama elettrizzazione (per strofinio, contatto o induzione). La regola di base è semplice e intuitiva: cariche dello stesso segno si respingono, cariche di segno opposto si attraggono, un po' come le calamite. La carica si misura in coulomb ($C$) e non si crea né si distrugge: si può solo spostare da un corpo all'altro (conservazione della carica).

Quanto forte due cariche si attraggono o si respingono? Lo dice la legge di Coulomb: $F=k\dfrac{q_1\cdot q_2}{r^2}$, dove $q_1$ e $q_2$ sono le due cariche (in $C$), $r$ è la distanza tra loro (in metri) e $k\approx 9\cdot 10^9\ \mathrm{N\,m^2/C^2}$ è una costante. L'idea chiave è che la forza cresce se le cariche sono grandi, ma cala in fretta se le allontani: il termine $r^2$ significa che raddoppiando la distanza la forza diventa quattro volte più piccola (vedi: proporzioni). È la stessa forma matematica della gravità di Newton, solo che qui la "sorgente" è la carica e non la massa, e la forza può sia attrarre sia respingere.

Invece di pensare alla forza tra due cariche "a distanza", immagina che ogni carica modifichi lo spazio attorno a sé creando un campo elettrico: una specie di alone invisibile che dice a ogni altra carica come sentirsi spinta. Il campo in un punto si definisce come $E=\dfrac{F}{q}$, cioè la forza che agirebbe su una piccola carica di prova divisa per la carica stessa, e si misura in newton su coulomb ($\mathrm{N/C}$). Per "vederlo" disegniamo le linee di campo: escono dalle cariche positive ed entrano in quelle negative, e dove sono più fitte il campo è più intenso. È come la mappa del vento: le frecce ti dicono in che direzione verrebbe spinta una piccola carica positiva lasciata libera in quel punto.

Spostare una carica dentro un campo elettrico costa o libera energia, proprio come sollevare un sasso contro la gravità: per descrivere questa "quota energetica" usiamo il potenziale elettrico, e la sua differenza tra due punti è la differenza di potenziale (d.d.p. o tensione), $V=\dfrac{L}{q}$, misurata in volt ($V$). Una d.d.p. è come un dislivello: le cariche tendono a "cadere" dal potenziale alto a quello basso, ed è questo che mette in moto le correnti. Un condensatore sfrutta tutto ciò: sono due lastre conduttrici affacciate che accumulano cariche opposte e quindi immagazzinano energia, con una capacità $C=\dfrac{Q}{V}$ misurata in farad ($F$). Puoi pensarlo come un piccolo serbatoio di carica, pronto a rilasciarla quando serve, come fa il flash di una macchina fotografica.