La Legge di Coulomb e l’Equazione
La legge di Coulomb è una fondamentale legge fisica che descrive le forze elettriche agendo tra particelle cariche elettricamente. Questa legge, nella sua forma scalare, fornisce la grandezza della forza elettrostatica F tra due cariche puntiformi, ma non la sua direzione. Qui, K o ke rappresenta la costante di Coulomb (ke ≈ 8.988×109 N·m2·C−2), q1 e q2 sono le magnitudini delle cariche, e la scala r è la distanza tra le cariche. La legge di Coulomb può essere espressa anche nella sua forma vettoriale.
Calcolo della Forza Tra Cariche
La legge di Coulomb può essere utilizzata per calcolare la forza tra particelle cariche (ad esempio, due protoni) o tra due oggetti carichi. La grandezza della forza elettrica F è direttamente proporzionale al prodotto delle cariche elettriche q1 e q2, e inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra le particelle. La formula è data da:
F = ke × (q1 × q2) / r2
Maggiore è la carica sugli oggetti, più forte è il campo elettrostatico generato. Invece, maggiore è la distanza tra gli oggetti, più debole diventa questo campo e viceversa. Se le cariche q1 e q2 hanno la stessa polarità, la forza è repulsiva; se hanno polarità opposte, la forza è attrattiva. La proporzionalità della forza elettrica a 1/r2 è stata verificata con grande precisione.
Unità di Carica Elettrica e Distanza
La carica di 1 Coulomb (C) è quella quantità di carica che, se posta su ciascuno di due oggetti puntiformi distanti 1,0 m, risulterebbe in una forza reciproca di (9.0×109 N-m2/C2)x(1.0C
)x(1.0C)/(1.0m)2 = 9.0 x 109N. Questa è una forza enorme. Raramente incontriamo cariche grandi come un coulomb. Le cariche prodotte sfregando oggetti comuni (come un pettine o un righello di plastica) sono tipicamente intorno a un microcoulomb ( C = 10-6 C) o meno. Le cariche uguali si respingono mentre quelle opposte si attraggono. L’unità base della carica elettrica è la carica (negativa) dell’elettrone, 1.602×10-19 coulombi. La forza elettrica è operativa tra cariche fino a distanze di almeno 10-16 metri, circa un decimo del diametro dei nuclei atomici.
La Legge di Coulomb nella Forma Vettoriale
La legge di Coulomb può essere espressa anche nella sua forma vettoriale. Concentrandosi sulla particella 1, possiamo scrivere la forza agente su di essa in termini di un vettore unitario che punta lungo un asse radiale che si estende attraverso le due particelle, radialmente lontano dalla particella 2. Come con altri vettori unitari, questo ha una grandezza esattamente pari a 1 e nessuna unità. Con queste premesse, scriviamo la forza elettrostatica come: F = ke × (q1 × q2) / |r|2, dove r è la distanza tra le particelle e k è una costante positiva chiamata costante di Coulomb.
Domande Frequenti
Quali sono le principali applicazioni della legge di Coulomb?
La legge di Coulomb ha molteplici applicazioni nella vita moderna, dalle macchine fotocopiatrici, stampanti laser, purificatori d’aria elettrostatici alla verniciatura a polvere.
Qual è lo scopo principale della legge di Coulomb?
La legge di Coulomb può essere usata per calcolare la forza tra particelle cariche o tra due oggetti carichi. La grandezza della forza elettrica F è direttamente proporzionale al prodotto di una carica elettrica q1 per l’altra q2, e inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra le particelle.
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