Carica elettrica — ingegnerismo.it

La carica elettrica è una proprietà fondamentale della materia, indicata di solito con $q$ o $Q$ e misurata in coulomb (C). È la sorgente dei fenomeni elettrici: cariche ferme generano campi elettrostatici, cariche in movimento generano corrente elettrica e campi magnetici.

La carica elementare ha modulo:

e=1{,}602\,176\,634\cdot 10^{-19}\,\text{C}

Un protone ha carica $+e$ , un elettrone ha carica $-e$ . La carica macroscopica è quindi quantizzata:

q=ne

dove $n$ è un numero intero positivo, negativo o nullo.

Carica e corrente

Nei circuiti elettrici la carica è la grandezza da cui nasce la corrente: quando una quantità di carica attraversa una sezione di conduttore nel tempo, si ha passaggio di corrente. La relazione operativa è:

i(t)=\dfrac{dq}{dt}

La relazione inversa è:

q(t)=q(t_0)+\int_{t_0}^{t} i(\tau)\,d\tau

Una corrente di $1\,\text{A}$ corrisponde al passaggio di $1\,\text{C}$ al secondo:

1\,\text{A}=1\,\frac{\text{C}}{\text{s}}

Per convenzione storica il verso della corrente è quello del moto delle cariche positive. Nei metalli i portatori reali sono elettroni, quindi si muovono in verso opposto alla corrente convenzionale; l’analisi circuitale resta coerente se versi e segni vengono mantenuti con continuità.

Conservazione della carica

La carica elettrica totale di un sistema isolato si conserva. Nei circuiti concentrati questo principio porta alla legge di Kirchhoff delle correnti:

\sum_k i_k=0

in un nodo ideale, con i segni scelti in modo coerente. La legge non dice che non possa accumularsi carica in assoluto: dice che, se il nodo non accumula carica apprezzabile, la somma delle correnti entranti e uscenti deve annullarsi. Nei condensatori, invece, l’accumulo di carica è proprio il fenomeno fisico centrale.

Per un condensatore:

q=CV

dove $C$ è la capacità e $V$ la differenza di potenziale. Questa relazione collega carica, campo elettrico ed energia immagazzinata.

Interazione tra cariche

Due cariche puntiformi interagiscono secondo la legge di Coulomb:

F=\frac{1}{4\pi\varepsilon}\frac{|q_1q_2|}{r^2}

Cariche dello stesso segno si respingono; cariche di segno opposto si attraggono. Il campo elettrico è definito come forza per unità di carica di prova:

\mathbf{E}=\frac{\mathbf{F}}{q}

Il potenziale elettrico, invece, misura l’energia potenziale per unità di carica:

V=\frac{U}{q}

Conduttori, isolanti e portatori

Nei conduttori metallici alcuni elettroni sono mobili e possono contribuire alla corrente. Negli elettroliti i portatori sono ioni positivi e negativi. Nei semiconduttori si parla di elettroni e lacune. Negli isolanti le cariche libere sono poche, ma il materiale può polarizzarsi sotto l’azione di un campo elettrico.

Questa distinzione è importante perché la stessa grandezza, la carica, appare in fenomeni diversi: conduzione nei fili, scariche elettrostatiche, polarizzazione dielettrica, capacità, semiconduttori, batterie e sensori.

Errori comuni

Gli errori più frequenti sono confondere carica e corrente, dimenticare il segno della carica, trattare il verso degli elettroni come verso della corrente convenzionale senza esplicitarlo, oppure applicare le leggi di Kirchhoff senza verificare l’ipotesi di circuito concentrato. A frequenze elevate o su linee lunghe, accumuli distribuiti e propagazione del segnale richiedono modelli più ricchi.

Vedi anche: Corrente elettrica, Legge di Coulomb, Campo elettrico, Potenziale elettrico, Leggi di Kirchhoff.