Carica Elettrica: Una Panoramica
La carica elettrica è una quantità fisica e proprietà della materia che la fa sperimentare una forza quando si trova in un campo elettromagnetico. Esistono due tipi di carica elettrica: positiva, trasmessa dai protoni, e negativa, trasmessa dagli elettroni. Quando la carica totale è zero, si dice che sia neutra. Le cariche dello stesso tipo si respingono, mentre quelle opposte si attraggono. Gli elettroni in un atomo sono attratti dai protoni nel nucleo a causa della forza elettromagnetica.
Primo Principio dell’Elettrostatica
Questi fatti sono noti come il Primo Principio dell’Elettrostatica o legge delle cariche elettriche. La carica elementare è l’unità di carica più fondamentale, rappresentata dalla carica di un elettrone o di un protone, denotata con e. Il valore più preciso disponibile è: e = 1.602176487 x 10-19C. Un coulomb rappresenta il negativo della carica totale di circa 6 x 1018 elettroni.
Carica Quantizzata e Composizione dei Quark
La carica è quantizzata; si manifesta in multipli interi di piccole unità chiamate carica elementare, e, che è la più piccola carica che può esistere liberamente. I quark, ad esempio, hanno cariche più piccole, multipli di ⅓ e, ma si trovano solo in combinazione, formando sempre particelle con carica intera. Il protone ha una composizione di quark uud, quindi il suo numero quantico di carica è: q(uud) = 2/3 + 2/3 + (-1/3) = +1e. Il neutrone, con una composizione di quark udd, ha un numero quantico di carica q(udd) = 2/3 + (-1/3) + (-1/3) = 0. Sebbene il neutrone non abbia carica elettrica netta, interagisce comunque tramite interazione elettromagnetica a causa del suo momento magnetico (momento di dipolo).
Legge della Conservazione della Carica Elettrica
La legge della conservazione della carica elettrica afferma che la somma algebrica di tutte le cariche elettriche in un sistema chiuso è costante. La carica può essere creata e distrutta, ma solo in coppie positivo-negativo. Questa legge è considerata universale in fisica, senza alcuna evidenza sperimentale di violazione. In fisica delle particelle, la conservazione della carica significa che nelle reazioni che creano particelle cariche, vengono sempre create
quantità uguali di particelle positive e negative, mantenendo invariata la quantità netta di carica. Anche nelle interazioni ad alta energia dove le particelle vengono create e distrutte, come nella creazione di coppie positrone-elettrone, la carica totale di qualsiasi sistema chiuso rimane esattamente costante.
Carica Elettrica delle Antiparticelle
Teoricamente, una particella e la sua antiparticella (ad esempio, un protone e un antiprotone) hanno la stessa massa, ma carica elettrica opposta, oltre a differenze nei numeri quantici. Ad esempio, per ogni quark esiste un tipo corrispondente di antiparticella. Gli antiquark hanno la stessa massa, durata media di vita e spin dei rispettivi quark, ma la carica elettrica e altre cariche hanno segno opposto. Ciò significa che un protone ha carica positiva mentre un antiprotone ha carica negativa e quindi si attraggono. L’antiparticella dell’elettrone è chiamata positrone; è identica all’elettrone tranne che per il fatto che porta cariche elettriche e altre cariche di segno opposto. Quando un elettrone collide con un positrone, entrambe le particelle possono essere totalmente annichilite, producendo fotoni raggi gamma.
Carica Elettrica e Atomi
Le proprietà chimiche di un atomo sono determinate dal numero di protoni, in realtà, dal numero e dalla disposizione degli elettroni. La configurazione di questi elettroni segue i principi della meccanica quantistica. Il numero di elettroni negli strati elettronici di ciascun elemento, in particolare nel guscio di valenza più esterno, è il fattore principale che determina il suo comportamento di legame chimico. Un atomo è composto da un nucleo carico positivamente circondato da elettroni carichi negativamente, così che l’atomo nel suo insieme è elettricamente neutro. Il nucleo atomico è costituito da protoni carichi positivamente e neutroni neutri.
Unità di Misura della Carica Elettrica
L’unità di carica elettrica nel Sistema Internazionale di Unità (SI) è il coulomb (simbolo: C). Il coulomb è stato definito come la quantità di elettricità trasportata in un secondo da una corrente di un ampere: 1 C = 1 A × 1 s. Questa unità di misura gioca un ruolo fondamentale nella comprensione e nello studio delle interazioni elettriche e magnetiche in fisica e ingegneria.
