La carica elettrica

Il modulo della carica di un elettrone è 1.602176634 × 10⁻¹⁹ coulomb: un coulomb corrisponde quindi al modulo della carica di circa 6.24 miliardi di miliardi di elettroni.

Perché un palloncino strofinato resta attaccato al muro

Strofina un palloncino su un maglione di lana e resterà attaccato al muro da solo. La pellicola aderisce a una ciotola, un calzino esce dall'asciugatrice attaccato a una maglietta e un pettine passato tra i capelli asciutti attira pezzetti di carta. Già migliaia di anni fa si osservava lo stesso fenomeno con l'ambra, una resina vegetale fossile: l'ambra strofinata attira pagliuzze. La parola elettrico viene dal greco elektron, che significa ambra. Sono tutti effetti della carica elettrica e, in ciascun caso, la carica è stata trasferita strofinando due materiali.

Due tipi di carica

Gli esperimenti con bacchette strofinate mostrano che esistono esattamente due tipi di carica. Strofina due bacchette di vetro con la seta e appendile vicine: si respingono. Anche i due panni di seta si respingono. Una bacchetta di vetro e un panno di seta, invece, si attraggono. Benjamin Franklin chiamò le due cariche positiva e negativa. La regola è breve: cariche dello stesso segno si respingono, cariche di segno opposto si attraggono. La forza diminuisce con la distanza: ecco perché il palloncino deve toccare il muro o essergli molto vicino.

Da dove viene la carica? Ogni atomo ha un nucleo formato da protoni positivi e, nella maggior parte degli atomi, neutroni privi di carica, circondato da elettroni negativi. Un atomo normale ha tanti elettroni quanti protoni: la sua carica totale è zero e lo chiamiamo neutro. I protoni sono vincolati nel nucleo, mentre alcuni elettroni sono legati debolmente. Lo strofinio trasferisce elettroni da una superficie all'altra. Strofinata con la seta, l'ambra acquista elettroni e diventa negativa; la seta li perde e diventa positiva. Non si crea nulla: la carica si sposta soltanto.

Quanta carica? Il coulomb

La carica si misura in coulomb, simbolo C. La più piccola carica libera presente nella materia ordinaria è quella di un protone, detta carica elementare e. Dal 2019 il suo valore è fissato esattamente: e = 1.602176634 × 10⁻¹⁹ C. Un elettrone porta −e e un protone +e. Poiché ciascun elettrone rappresenta una frazione piccolissima di coulomb, un coulomb corrisponde a un numero enorme di elettroni: 1 ÷ (1.602176634 × 10⁻¹⁹) ≈ 6.24 × 10¹⁸. La carica di un oggetto è sempre un multiplo intero di e. Puoi avere 3e o 1 000 000e, ma mai 2.5e. In fisica si dice che la carica è quantizzata.

La seconda regola è la conservazione della carica: la carica totale di un sistema isolato non cambia mai. Quando strofini il palloncino sui capelli, il palloncino acquista una carica negativa uguale alla carica positiva acquistata dai capelli. La somma resta zero. Non è mai stata osservata una violazione di questa regola, dai palloncini strofinati agli urti tra particelle.

Conduttori e isolanti

Nei metalli alcuni elettroni non sono legati a un singolo atomo. Questi elettroni liberi possono muoversi in tutto il pezzo di metallo, permettendo alla carica di spostarsi facilmente. Sono materiali conduttori: rame, alluminio, argento e oro ne sono buoni esempi. Nella plastica, nella gomma, nel vetro e nell'aria secca quasi tutti gli elettroni restano legati al proprio atomo e la carica si muove a fatica. Sono isolanti. Un cavo elettrico domestico usa entrambi: rame all'interno per trasportare la carica e plastica all'esterno per impedirle di raggiungere la mano. Lo strofinio funziona meglio sugli isolanti, perché la carica trasferita resta al suo posto anziché disperdersi.

Dalla carica ferma alla carica in movimento

Un palloncino strofinato trattiene la carica finché non tocca qualcosa. Una batteria fa altro: continua a spingere la carica lungo un circuito chiuso. Nel laboratorio qui sotto i punti blu rappresentano gli elettroni che si muovono nel filo. L'indicatore conta quanti coulomb attraversano la batteria ogni secondo e li converte in un numero di elettroni.