Fisica classica/Carica elettrica
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L'elettromagnetismo rappresenta nel suo insieme una teoria completa che inquadra in un insieme estremamente compatto i fenomeni elettrici e magnetici. La costruzione di tale teoria è iniziata con le prime osservazioni fenomenologiche fatte al tempo dei greci, della esistenza e delle proprietà della magnetite ne abbiamo notizia già dalle opere di Talete. Nel tardo medioevo, verso il 1000 dc, incomincia ad essere usata la bussola, probabilmente viene scoperta dai cinesi e riportata nell'area mediterranea dagli arabi, e secondo la tradizione italiana da Flavio Gioia. Data l'importanza della bussola nella navigazione il magnetismo terrestre e la sua fenomenologia sono state ben studiate sin dal tardo medioevo. Al contrario l'elettricità non ha avuto applicazioni fino al '700.
Le leggi che inquadrano perfettamente i fenomeni sono dette equazioni di Maxwell, che sono il frutto del lavoro sperimentale e teorico di un numero notevole di scienziati. Le leggi di Maxwell sono compatibili con la relatività, anzi si può dire che Einstein partendo dall'equazione dell'elettromagnetismo pose le basi della sua teoria. I fenomeni dell'elettromagnetismo sono stati infine inquadrati in maniera completa nella meccanica quantistica mediante la cosidetta elettrodinamica quantistica. In questo libro di fisica classica ci limiteremo alla descrizione dovuta all'equazioni di Maxwell, quindi dando la spiegazione che storicamente era possibile dare fino alla fine dell'ottocento.
Il concetto nuovo dell'elettromagnetismo è il concetto di carica elettrica. La carica elettrica è un concetto chiave per comprendere i fenomeni elettromagnetici. Essa come la massa è una proprietà della materia. Questa proprietà si manifesta attraverso l'esercizio di forze a distanza (senza contatto dei corpi). Corpi carichi elettricamente interagiscono fra di loro manifestandosi forze di tipo elettrico (forza attrattiva o repulsiva). Le cariche si presentano in due forme (esprimibili grazie al segno + o -): positiva e negativa. La forza elettrica ha notevoli somiglianze con la forza gravitazionale, ma a differenza della gravità in cui esistono solo masse gravitazionali positive, la presenza di due diversi tipi di cariche, rende la forza elettrica peculiare. Infatti due cariche dello stesso segno si respingono, mentre cariche di segno opposto si attraggono.
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[modifica] Legge di Coulomb
Sperimentalmente si verifica che due corpi puntiformi elettricamente carichi, fermi e posti nel vuoto, si scambiano una forza proporzionale al prodotto delle loro cariche ed inversamente proporzionale al quadrato della loro rispettiva distanza. Tale forza è diretta lungo la congiungente i due corpi ed è repulsiva se le cariche dei corpi sono di segno uguale ed in caso contrario attrattiva. La prima determinazione sperimentale delle proprietà sopra enunciate fu fatta da C. A. Coulomb che eseguì gli esperimenti tra il 1777 ed il 1785. Per tale ragione la forza che regola queste interazioni è chiamata legge di Coulomb. Tale legge analiticamente si esprime come:
Dove 
e 
sono le due cariche. La costante 
ha il valore, determinato sperimentalmente, di:
Il suo valore dipende dalla scelta dell'unità di misura della carica elettrica; questa non può essere ricavata da quantità meccaniche, ma ne è completamente indipendente. Di conseguenza, per potere misurare quantitativamente le interazioni fra cariche elettriche, è necessario definire l'unità di misura di una grandezza elettrica, presa come fondamentale. La grandezza scelta come fondamentale nel sistema internazionale (SI) è l'intensità di corrente, cioè la carica elettrica che attraversa una sezione di un circuito elettrico nell'unità di tempo. Tale unità di misura è chiamata Ampère (A). Quindi, nel SI, la carica elettrica è una grandezza derivata chiamata Coulomb (C) 
.
Notiamo come la forza elettrica sia in genere molto più intensa di quella gravitazionale almeno a livello atomico. Con un semplice esempio si può dimostrare come il rapporto tra l'attrazione elettrica e la attrazione gravitazionale nell'atomo di idrogeno è di circa 
, quindi a livello atomico in genere solo la forza elettrica genera effetti degni di nota. A livello nucleare l'interazione elettrica negli atomi di piccola massa è in genere meno importante della cosidetta interazione forte che rappresenta un'altra delle forze fondamentali della natura.
[modifica] Quantizzazione della carica elettrica
Come è stato dimostrato nel 1909 da R. Millikan, con il famoso Esperimento di Millikan, tutte le cariche misurate in natura sono multiple intere di un valore di base, definito quanto di carica o carica fondamentale. Esso ha valore pari a e=1.60217653 × 10-19 C. La carica elementare è una delle costanti fisiche della fisica moderna. La carica di un elettrone è pari a -e, mentre quella del protone è pari ad e.
Bisogna precisare che il modello standard della fisica moderna prevede l'esistenza di particelle con carica frazionaria i quark che hanno carica 2/3 e -1/3 in unità di e, ma il modello prevede che i quark non possono essere separati e quindi esistono solo all'interno di particelle con carica intera. Il fatto che non siano state mai misurate singolarmente, a causa di tale proprietà intrinseca, fa sì che non possano essere considerate cariche elementari.
[modifica] Conservazione della carica elettrica
La legge di conservazione della carica stabilisce che la carica elettrica non può essere né creata né distrutta. Quindi la quantità di carica elettrica è sempre conservata. In nessun esperimento mai è stata rilevata la non conservazione della carica, la conservazione della carica vale sia in Fisica classica , in teoria della relatività che nella meccanica quantistica.
In pratica tale principio stabilisce che dato un certo volume la variazione di carica al suo interno può solo avvenire mediate una corrente elettrica che fluisce attraverso la superficie di separazione del volume stesso con il mondo esterno (se il flusso è entrante la carica cresce, se il flusso è uscente la carica decresce).
[modifica] La materia è elettricamente neutra
Gli atomi nello stato di equilibrio hanno un numero esattamente eguale di elettroni (carichi negativamente) e di protoni (carichi positivamente) per cui nello stato di equilibrio gli atomi che sono le entità elementari che costituiscono la materia, nella credenza ottocentesca, sono neutri. La materia nello stato elementare sulla terra è composta di atomi, che essendo elettricamnte singolarmente neutri determinano la neutralità della materia.
Vi è da aggiungere che a temperatura ambiente, media della temperatura sulla terra, la probabilità che gli atomi perdano degli elettroni per agitazione termica è estremamente bassa, ma a temperatura elevata come ad esempio all'interno di una stella, l'agitazione termica rende molto probabile la non neutralità degli atomi: atomi che hanno perso o acquistato uno o più elettroni si chiamano ioni. Quindi lo stato più comune della materia nell'universo, all'interno delle stelle, è quello di plasma cioè un fluido, globalmente neutro, in cui si muovono liberamente cariche elettriche positive e negative.
