Cariche elettriche e interazioni

Regola

Per cariche puntiformi ferme, |F|=k|q₁q₂|/r². La legge quantifica il modulo sotto ipotesi; il verso dipende dai segni. Il palloncino illustrato non dà valori di q o r.

Approfondimento e limiti del modello

Il modulo della forza fra due cariche puntiformi ferme dipende da |q₁q₂| e da 1/r². I segni non entrano nel modulo, ma decidono se la forza su ciascuna carica punta verso l'altra o se ne allontana. Le due forze hanno uguale modulo e verso opposto; la legge richiede la distanza tra le cariche, non tra oggetti illustrati genericamente.

Un oggetto complessivamente neutro può polarizzarsi vicino a uno carico: le cariche di segno opposto si avvicinano e l'attrazione locale può prevalere. Perciò l'attrazione di un pezzetto di carta non prova che esso possieda carica netta opposta. Nel confronto fra due situazioni, moltiplica i fattori delle cariche e dividi per il quadrato del fattore di distanza.

Segni, interazioni e neutralità

Cariche dello stesso segno si respingono e cariche di segno opposto si attraggono. L'intensità della forza fra due cariche puntiformi ferme, nel modello elettrostatico e in un mezzo appropriato, dipende dal prodotto dei moduli e dall'inverso del quadrato della distanza. Le forze che le due cariche esercitano l'una sull'altra hanno lo stesso modulo e versi opposti, anche quando i valori delle cariche differiscono. Un corpo elettricamente neutro ha carica netta nulla, ma contiene cariche positive e negative; può essere attratto da un corpo carico per polarizzazione. Perciò osservare un'attrazione non basta a identificare il segno netto dell'altro corpo. Per distinguere i casi servono osservazioni controllate, per esempio una repulsione rispetto a una carica di segno noto, tenendo conto del contatto e dell'ambiente.

Legge di Coulomb e geometria

Per due cariche puntiformi la legge di Coulomb nel vuoto si scrive |F|=k|q₁q₂|/r². La distanza r è fra le posizioni delle cariche, non fra i bordi di due sfere disegnate schematicamente. Se r raddoppia e le cariche restano uguali, il modulo diventa un quarto. Se cambia anche una carica, considera entrambi i fattori nello stesso rapporto. La costante k dipende dal mezzo: usare il valore del vuoto in un materiale diverso richiede dichiarare l'approssimazione. Le unità SI sono coulomb, metri e newton; microcoulomb va convertito in 10⁻⁶ C prima di ottenere un numero assoluto. Per più cariche le forze si sommano vettorialmente, non aggiungendo i moduli senza disegno. Un corpo esteso o un isolante polarizzato può richiedere un modello più ricco di due punti.

Esperimenti e interpretazioni

Nell'elettrizzazione per contatto, sfregamento o induzione, gli elettroni possono ridistribuirsi o trasferirsi; non si creano cariche dal nulla. La carica totale di un sistema isolato si conserva. In un esperimento con palloncino e pezzetti di carta, l'attrazione iniziale della carta neutra è compatibile con polarizzazione; dopo il contatto il comportamento può cambiare. Umidità, dispersione e geometria influenzano l'osservazione, quindi un solo movimento non identifica un meccanismo con certezza. Un elettroscopio fornisce indizi di carica, ma la sua divergenza da sola non determina il segno senza una procedura con riferimento noto. Descrivi prima il fenomeno e poi l'ipotesi, mantenendo separate evidenza e spiegazione. Il modello dei segni è utile per prevedere verso della forza; non basta per dedurre quantità di carica da una semplice fotografia. Quando si usano oggetti estesi, il centro delle sfere disegnate non coincide necessariamente con il centro effettivo di una distribuzione di carica polarizzata. La legge puntiforme può essere un'approssimazione, non una lettura diretta della distanza fra bordi. Questo limite va dichiarato nella spiegazione.