1.

Introduzione

Campo elettrico Grandezza fisica vettoriale che esprime le proprietà dello spazio dovute alla presenza in esso di una o più cariche elettriche. Il concetto di campo elettrico venne introdotto da Michael Faraday, per spiegare l’interazione tra cariche poste a una certa distanza l’una dall’altra (vedi Azione a distanza).

2.

Intensità, direzione e verso

Il campo elettrico è una grandezza vettoriale, definita quindi non solo da un’intensità, ma anche da una direzione e da un verso. La direzione e il verso del vettore campo elettrico esprimono sostanzialmente la direzione e il verso di percorrenza della traiettoria che una carica positiva di prova posta in quel punto prenderebbe per effetto del campo elettrico. La sua intensità si può valutare misurando la forza F che la carica positiva di prova q sperimenterebbe: l’intensità è definita allora come la forza per unità di carica, ed è quindi data dal rapporto E = F/q. La direzione è la stessa della forza F e il verso, in generale, è quello orientato dalle cariche positive a quelle negative. Nel Sistema internazionale, l’unità di misura del campo elettrico è il newton/coulomb (N/C).

3.

Campo elettrico generato da una carica puntiforme

La forza F che una carica positiva di prova q posta a distanza r da una carica puntiforme Q subisce è la forza di Coulomb; l’intensità di questa forza è F = (1/4pe₀)(Q q /r²), dove e₀ è la costante dielettrica del vuoto, un parametro che esprime le proprietà elettriche del vuoto (in presenza di un mezzo, quale l’aria, la costante e₀ compare moltiplicata per e_r, costante dielettrica relativa del mezzo in questione). Così, poiché in generale il campo elettrico è definito come il rapporto tra la forza e la quantità di carica di prova (E = F/q), il campo generato da una carica puntiforme Q è E = (1/4pe₀)(Q /r²). Le sue linee di forza sono semirette che nascono sulla carica sorgente e si estendono all’infinito in direzione radiale; se la carica Q è positiva, il verso va dalla carica verso l’esterno; se invece Q è negativa, il verso è quello opposto, dall’esterno verso la carica.

4.

Principio di sovrapposizione

Noto il campo generato da una singola carica puntiforme, il principio di sovrapposizione permette di calcolare il campo elettrico generato da qualunque distribuzione di cariche in quiete nello spazio. Il principio afferma che l’effetto di due cariche elettriche in un punto dello spazio è dato esattamente dalla somma degli effetti dovuti a ciascuna delle cariche. Quindi, noto il campo generato da ciascuna carica e la rispettiva posizione, è possibile determinare intensità, direzione e verso del campo elettrico generato dall’insieme delle cariche. Poiché la grandezza da sommare – il campo – è una grandezza vettoriale, la somma è un’operazione vettoriale, che si esegue con la nota regola del parallelogramma.

5.

Campo elettrostatico e potenziale

Il campo elettrico descritto finora è più propriamente definito elettrostatico, in quanto generato da cariche elettriche in quiete e inerente a fenomeni elettrici di tipo statico. Questo campo ha una proprietà fondamentale, di cui invece non gode il campo elettrico associato a fenomeni dinamici (a correnti elettriche): è un campo conservativo. Tale proprietà, caratteristica anche del campo gravitazionale, si può esprimere in diversi modi; uno di questi è che il lavoro compiuto dalle forze del campo per spostare una carica da un punto all’altro dello spazio non dipende dalla particolare traiettoria scelta, ma solo dalla posizione iniziale e dalla posizione finale della carica. In altre parole, esiste una funzione scalare che dipende della posizione, chiamata potenziale, in funzione della quale si può esprimere il lavoro del campo.

6.

Potenziale elettrico ed energia potenziale

Il potenziale elettrico V valutato in un punto del campo rappresenta il lavoro che le forze del campo idealmente spenderebbero per portare una carica unitaria da una regione infinitamente lontana fino a quel punto. Per il campo elettrostatico generato da una carica puntiforme, il potenziale è V(r) = (1/4pe₀)(Q /r). La sua dipendenza dalla distanza dalla sorgente del campo Q dice che il potenziale è massimo (al limite, infinito) vicino alla carica sorgente, e si riduce via via al crescere della distanza da essa.

Se si moltiplica il potenziale per la carica q, si ottiene l’energia potenziale posseduta dalla carica q stessa nel punto r del campo considerato. Poiché il campo elettrostatico è conservativo, il lavoro compiuto per spostare la carica q da un punto A a un punto B è esattamente uguale alla differenza tra l’energia potenziale nella posizione iniziale e l’energia potenziale nella posizione finale. In formule, L_(A,B) = q(V_A – V_B).

7.

Campo generato da cariche in moto

Il campo elettrico associato a cariche in moto ha caratteristiche diverse da quelle del campo elettrostatico. In primo luogo, non è conservativo; inoltre, manifesta un intimo legame con il campo magnetico (basti pensare che qualunque carica in moto genera intorno a sé un campo magnetico). Questa caratteristica mette in luce il fatto che elettricità e magnetismo non sono classi di fenomeni disgiunte, ma aspetti diversi di una stessa classe di fenomeni: l’elettromagnetismo.