Campo elettrico
Un campo elettrico, descritto come la forza elettrica per unità di carica, può essere considerato una proprietà elettrica associata a ciascun punto dello spazio in cui è presente una carica in qualsiasi forma. L’intensità e la direzione del campo elettrico sono espresse dal valore di E , chiamato intensità del campo elettrico.
Il fisico e chimico britannico Michael Faraday per primo propose che attorno agli oggetti carichi sia presente un campo elettrico, il che consente alla forza elettrica di agire su oggetti carichi che non sono in contatto tra loro.
Si considera che la direzione del campo sia la direzione della forza che eserciterebbe su una carica di prova positiva. Il campo elettrico è radialmente esterno da una carica positiva e radialmente interno verso una carica puntiforme negativa. Pertanto, le linee di forza partono da una carica positiva e convergono verso una carica negativa.
Intensità del campo elettrico
Le cariche elettriche subiscono l’azione di altre cariche infatti due cariche dello stesso segno si respingono mentre se hanno segno opposto si attraggono e ciò è dovuto al fatto che una carica elettrica induce un campo elettrico attorno a sé.
Per definire un campo elettrico in modo operativo si consideri un corpo di prova sul quale si trova una carica di prova q0 , che si suppone essere positiva, nel punto che si vuole esaminare e si misura la forza elettrica F che agisce sul campo.
Si definisce intensità del campo elettrico E il rapporto tra F e qo:
E = F/qo (1)
dove E è un vettore poiché tale è F essendo qo uno scalare. La direzione di E è la direzione di F ovvero la direzione nella quale tenderebbe a muoversi una carica positiva posta, in quiete nel punto. L’unità di misura di E è N/C.
A causa della proporzionalità diretta tra F e qo, fissato E cariche più grandi subiranno forze maggiori.
Se il campo elettrico è creato da una carica puntiforme o da una sfera di carica uniforme, l’entità della forza tra questa carica puntiforme Q e la carica di prova è data dalla legge di Coulomb:
F = k│Qqo│/r2
dove si usa il valore assoluto, perché si considera solo l’entità della forza. Sostituendo nella (1) a F il suo valore si ha:
F = k│Q│/r2
Questa equazione fornisce l’intensità del campo elettrico creato da una carica puntiforme Q. La distanza r al denominatore è la distanza dalla carica puntiforme, Q , o dal centro di una carica sferica, al punto di interesse.
Ad esempio se si vuole calcolare l’intensità e la direzione del campo elettrico E dovuto ad una carica puntiforme di 2.00 · 10-9 C ad una distanza di 5.00· 10-3 m dalla carica di prova si ottiene:
E = 8.99 · 109(2.00 · 10-9 C)/( 5.00· 10-3 m)2 = 7.19 · 105 N/C
dove 8.99 · 109 N·m2/C2 è la costante di proporzionalità detta costante di Coulomb.
Linee di forza
Un mezzo utile per rappresentare visivamente la natura vettoriale di un campo elettrico è attraverso l’uso delle linee di forza. Le proprietà delle linee del campo elettrico per qualsiasi distribuzione di carica devono iniziare su cariche positive e terminare su cariche negative, o all’infinito nel caso ipotetico di cariche isolate.
Il numero di linee di forza che lasciano una carica positiva o entrano in una carica negativa è proporzionale all’entità della carica. L’intensità del campo è proporzionale alla vicinanza delle linee di forza e, più precisamente, è proporzionale al numero di linee per unità di area perpendicolari alle linee. In ogni punto dello spazio la direzione del campo elettrico è tangente alla linea del campo.
Le linee del campo non possono mai incrociarsi e ciò implica che il campo è unico in qualsiasi momento. La linea di forza rappresenta infatti la direzione del campo quindi se si incrociassero, il campo avrebbe due direzioni in quella posizione il che è impossibile se il campo è unico.
Applicazioni
I campi elettrici sono impiegati in molti campi dell’ingegneria per migliorare il comportamento aerodinamico, il trasferimento di calore e massa nonché le reazioni chimiche come, ad esempio, nei processi di pirolisi e gassificazione
I campi elettrici trovano molte applicazioni nella vita quotidiana come, ad esempio, negli acceleratori di particelle. Un acceleratore di particelle è una macchina che accelera le particelle elementari, come elettroni o protoni e farli collidere tra loro a elevatissima velocità prossima a quella della luce.
L’accelerazione è ottenuta con forti campi elettrici, campi magnetici o entrambi. Molti processi industriali utilizzano acceleratori di particelle come la produzione di chip per computer e la reticolazione della plastica per la realizzazione di film termoretraibili.
Un altro campo di applicazione sono i precipitatori elettrostatici utilizzati per la separazione di solidi dispersi all’interno di una fase gassosa per l’abbattimento del particolato dai fumi in uscita da impianti attraverso l’applicazione di un campo elettrico molto inteso.
Le fotocopiatrici utilizzano campi elettrici per eseguire un processo di copia delle immagini utilizzando cariche positive chiamato xerografia. In ambito medico il campo elettrico, creato nei tessuti biologici, viene utilizzato per alleviare il dolore ma è utilizzato anche nella diagnostica per immagini.
I campi elettrici vengono inoltre utilizzati nel processo di stimolazione elettrica del sistema nervoso. Campi di corrente alternata pulsata e a bassa frequenza, applicati con elettrodi impiantati o di superficie, vengono utilizzati per stimolare o sopprimere l’attività neurale.
Nella stimolazione cerebrale profonda gli elettrodi possono essere impiantati chirurgicamente in aree specifiche del cervello per applicare impulsi e segnali che sopprimono i segnali endogeni che producono tremori o crisi epilettiche tipiche della malattia di Parkinson. La stimolazione elettrica è efficace nel ripristinare la funzionalità muscolare in pazienti che hanno subito gravi lesioni del midollo spinale.
La stimolazione elettrica transcutanea dei nervi (TENS) è un trattamento mediante il quale vengono applicati impulsi a bassa frequenza tramite elettrodi cutanei per ridurre il dolore.
Il riscaldamento dielettrico che comporta il riscaldamento di materiali elettricamente isolanti, definito come il riscaldamento che si verifica per dissipazione in un materiale quando esso è soggetto ad un campo elettrico alternato, costituisce è un metodo particolarmente efficiente in special modo in materiali ad elevato contenuto acquoso.
