Legge di Coulomb
La legge di Coulomb è una legge della fisica che descrive le forze elettriche che agiscono tra particelle caricate elettricamente. 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. Questa legge trova numerose applicazioni nella vita moderna, dai macchinari per fotocopie, alle stampanti laser, dalla purificazione dell’aria elettrostatica alla verniciatura a polvere.
Sulle Orme di Coulomb
Charles-Augustin de Coulomb nel 1785, tramite esperimenti, stabilì che la forza elettrica, così come la forza magnetica, varia inversamente con il quadrato della distanza. La formula che espresse questa variazione della forza elettrica con la distanza è analoga a quella che trovò per le forze magnetiche.
Equazione della Legge di Coulomb
La legge di Coulomb si esprime con la seguente equazione, che calcola la forza tra particelle cariche (ad esempio, due protoni) o tra due oggetti carichi:
F = ke × (q1 × q2) / r2
Qui, ke rappresenta la costante di Coulomb (ke ≈ 8.988×109 N⋅m2⋅C−2), q1 e q2 sono le magnitudini delle cariche, e r è la distanza tra le cariche. Se q1 e q2 hanno lo stesso segno, la forza è repulsiva; se sono di segno opposto, la forza è attrattiva.
Legge di Coulomb in Forma Vettoriale
La legge di Coulomb può essere espressa anche in forma vettoriale, considerando la forza elettrostatica come:
F = k × (q1 × q2) / r2 × ^r
dove r è la distanza tra le particelle e k è una costante positiva nota come costante di Coulomb.
Costante di Coulomb
Il valore della costante di proporzionalità nella legge di Coulomb dipende dal sistema di unità utilizzato. Nello studio dell’elettricità e del magnetismo, si utilizzano esclusivamente le unità SI, dove la carica elettrica si misura in coulomb (1C).
Problema con Soluzione: Legge di Coulomb
Due cariche puntiformi (q1 = 20nC e q2 = -70nC) sono separate da una distanza r = 1cm. Trovare la grandezza e la
direzione della forza elettrica che q1 esercita su q2 e viceversa. Usando la legge di Coulomb, convertendo le unità di distanza in metri e le unità di carica elettrica in coulomb, otteniamo:
F = (9.0×109 N-m2/C2) × (20×10-9C × -70×10-9C) / (0.01m)2
Poiché le cariche hanno segni opposti, la forza è attrattiva; quindi, la forza che agisce su q2 è diretta verso q1 lungo la linea che unisce le due cariche.
Forza di Coulomb nei Nuclei Atomici
Le forze di Coulomb svolgono un ruolo importante nella stabilità dei nuclei atomici. I nuclei atomici sono costituiti da protoni e neutroni, che si attraggono reciprocamente attraverso la forza nucleare, mentre i protoni si respingono a vicenda tramite la forza elettrica a causa della loro carica positiva. Queste due forze competono, portando a varie stabilità dei nuclei. Solo alcune combinazioni di neutroni e protoni formano nuclei stabili. I neutroni stabilizzano il nucleo perché si attraggono tra loro e con i protoni, aiutando a compensare la repulsione elettrica tra i protoni.
Domande Frequenti
Quali sono le principali applicazioni della legge di Coulomb? La legge di Coulomb ha numerose applicazioni nella vita moderna, come nelle fotocopiatrici, stampanti laser, purificatori d’aria elettrostatici e nella verniciatura a polvere.
Qual è lo scopo principale della legge di Coulomb? La legge di Coulomb è utilizzata per calcolare la forza tra particelle cariche o tra due oggetti carichi.
Perché protoni ed elettroni si attraggono? Gli elettroni in un atomo sono attratti dai protoni nel nucleo tramite la forza elettromagnetica. Questa forza lega gli elettroni in un pozzo di potenziale elettrostatico che circonda il nucleo più piccolo, il che significa che è necessaria una fonte esterna di energia affinché l’elettrone possa sfuggire.
Qual è l’unità di misura della carica elettrica? Il coulomb (simbolo: C) è l’unità del Sistema Internazionale (SI) di carica elettrica. Il coulomb è definito come la quantità di elettricità trasportata in un secondo da una corrente di un
ampere: 1 C = 1 A × 1 s.
Conclusione
La legge di Coulomb è fondamentale per comprendere le interazioni elettriche nel mondo microscopico degli atomi e dei nuclei, così come nelle applicazioni pratiche della vita quotidiana. La sua importanza è cruciale in molteplici settori della fisica e dell’ingegneria, facendola diventare una delle leggi più significative nell’ambito dell’elettromagnetismo.
