La carica elettrica, in fisica, è una grandezza fisica scalare dotata di segno, ed è una proprietà fondamentale della materia. La carica elettrica è un tipo di carica ed è responsabile dell'interazione elettromagnetica, essendo sorgente del campo elettromagnetico.

E' una grandezza quantizzata, ossia essa esiste solo in forma di multipli di una quantità fondamentale: la carica dell'elettrone, che è definita come negativa ed indicata con −e. Nel Sistema internazionale di unità di misura l'unità di carica è il Coulomb che corrisponde a circa 6,24 × 10¹⁸  elettroni^[1]. Un elettrone possiede una carica il cui valore, inizialmente determinato da Robert Andrews Millikan tra il 1910 e il 1917, è definito nella tabella delle costanti del CODATA ed è pari a:^[2]

${\displaystyle -e={\frac {-1C}{6{,}24\times 10^{18}}}=-1{,}602176565\times 10^{-19}\ \mathrm {C} }$

La carica di un protone, uno dei costituenti fondamentali del nucleo insieme al neutrone, viene considerata positiva ed indicata con +e.

La quantizzazione della carica elettrica

Se non si considerano i quark, non è stato scoperto alcun oggetto che possiede una carica inferiore a quella dell'elettrone: per tale motivo il valore della sua carica è considerato l'unità di carica elettrica fondamentale, e tutte le quantità di carica sono multiple della carica dell'elettrone. Secondo il modello standard della fisica, tuttavia, le cariche più piccole delle particelle sono ±e/3, ±2e/3 e ±e: ad esempio il quark down ha carica -e/3, il quark up ha carica 2e/3, mentre le loro antiparticelle hanno cariche opposte.

Gli altri quark, di massa maggiore, hanno comunque cariche ±e/3 oppure ±2e/3. Anche se i quark trasportano una carica elettrica, osservare un quark libero richiede un'energia estremamente elevata che solo da poco è alla portata degli acceleratori di particelle, a causa dell'elevata intensità delle interazioni nucleari forti che li tiene uniti. Si pensa sia possibile l'esistenza di un plasma di quark e gluoni liberi a circa 150 GeV, circa 1 × 10¹² K; i fisici cercano di ottenerlo facendo collidere tra loro nuclei pesanti, come l'oro, ad energie di circa 100 GeV per nucleone.

Oltre alla carica elettrica, si può definire anche una carica di colore, che introduce un ulteriore numero quantico, utilizzato per descrivere quark e gluoni, insieme al sapore, nella teoria della cromodinamica quantistica.

L'elettrone

L'elettrone è una particella subatomica che possiede una massa a riposo di 9,109 382 6(16) × 10^-31 kg, pari a circa 1/1836 di quella del protone. Il momento angolare intrinseco, ovvero lo spin, è un valore semi intero pari ad 1/2 in unità di ħ, che rende l'elettrone un fermione, soggetto quindi al principio di esclusione di Pauli. L'antiparticella dell'elettrone è il positrone, il quale si differenzia solo per la carica elettrica di segno opposto; quando queste due particelle collidono possono essere sia diffuse che annichilite producendo fotoni, più precisamente raggi gamma.

L'idea di una quantità fondamentale di carica elettrica è stata introdotta dal filosofo Richard Laming nel 1838 per spiegare le proprietà chimiche dell'atomo;^[3] il termine elettrone è stato successivamente coniato nel 1894 dal fisico irlandese George Johnstone Stoney, ed è stato riconosciuto come una particella da Joseph John Thomson e dal suo gruppo di ricerca.^[4][5] Successivamente il figlio George Paget Thomson ha dimostrato la duplice natura corpuscolare e ondulatoria dell'elettrone, che è quindi descritto dalla meccanica quantistica per mezzo del dualismo onda-particella.

Gli elettroni, insieme ai protoni e ai neutroni, sono parti della struttura degli atomi e, sebbene contribuiscano per meno dello 0,06% alla massa totale dell'atomo, sono responsabili delle sue proprietà chimiche; in particolare, la condivisione di elettroni tra due o più atomi è la sorgente del legame chimico covalente.^[6]

La maggior parte degli elettroni presenti nell'universo è stata creata durante il Big Bang, sebbene tale particella possa essere generata tramite il decadimento beta degli isotopi radioattivi e in collisioni ad alta energia, mentre può essere annichilita grazie alla collisione con il positrone e assorbita in un processo di nucleosintesi stellare.

In molti fenomeni fisici, in particolare nell'elettromagnetismo e nella fisica dello stato solido, l'elettrone ha un ruolo essenziale: è responsabile della conduzione di corrente elettrica e del calore, il suo moto genera il campo magnetico e la variazione della sua energia è responsabile della produzione di fotoni.

L'avvento dell'elettronica, a partire dalla quale è nata l'informatica, pone l'elettrone alla base dello sviluppo tecnologico del ventesimo secolo. Le sue proprietà vengono inoltre sfruttate in svariate applicazioni, come i tubi a raggi catodici, i microscopi elettronici, la radioterapia ed il laser.

L'elettrone appartiene inoltre alla classe delle particelle subatomiche dette leptoni, che si ritiene siano componenti fondamentali della materia (ovvero non possono essere scomposte in particelle più piccole).

Conservazione della carica elettrica

La carica elettrica è una grandezza fisica conservativa, cioè la carica elettrica totale di un sistema fisico isolato rimane costante. Questa è una legge sperimentale fondamentale della natura, in quanto non è mai stata osservata una sua violazione. Un altro assunto è che la conservazione sia locale, ossia valga il teorema di Noether (v. anche legge di conservazione). Essa afferma che la variazione della densità spaziale di carica ${\displaystyle \rho }$ entro un volume ${\displaystyle V}$ è dovuta unicamente a quella che attraversa la superficie frontiera del detto volume essendo in movimento. L'equazione di continuità per la carica elettrica è quindi l'equazione differenziale:^[7]

${\displaystyle \mathbf {\nabla } \cdot \mathbf {J} +{\frac {\operatorname {d} \rho }{\operatorname {d} t}}=0}$

dove ${\displaystyle \mathbf {J} }$ è la densità di corrente e ${\displaystyle \rho }$ la densità di carica.

Utilizzando il teorema della divergenza si ottiene la forma integrale:

${\displaystyle I=\int _{S}\mathbf {J} \cdot \operatorname {d} \mathbf {a} =-{\frac {\partial }{\partial t}}\int _{V}\rho \operatorname {d} V}$

dove ${\displaystyle I}$ è la corrente elettrica.

L'equazione di continuità viene considerata nelle equazioni di Maxwell per correggere la legge di Ampère estendendone la validità al caso non stazionario. Infatti, applicando l'operatore divergenza alla quarta (con appunto la correzione di Maxwell):

${\displaystyle \mathbf {\nabla } \cdot \mathbf {\nabla } \times \mathbf {B} =\mu _{0}\mathbf {\nabla } \cdot \mathbf {J} +\varepsilon _{0}\mu _{0}{\frac {\partial \mathbf {\nabla } \cdot \mathbf {E} }{\partial t}}}$

e sostituendo al suo interno la prima:

${\displaystyle \mathbf {\nabla } \cdot \mathbf {E} ={\frac {\rho }{\varepsilon _{0}}}}$

si ottiene l'equazione di continuità.

Notazione relativistica

L'equazione di continuità può essere scritta in maniera molto semplice e compatta utilizzando la notazione relativistica. Si definisce in tale contesto il quadrivettore densità di corrente, la cui componente temporale è la densità di carica e quella spaziale è il vettore densità di corrente:

${\displaystyle J^{\mu }=(c\rho ,\mathbf {J} )}$

In questo modo l'equazione di continuità diventa:^[8]

${\displaystyle \partial _{\mu }J^{\mu }=0}$

dove ${\displaystyle \partial _{\mu }}$ è il quadrigradiente, dato da:

${\displaystyle \partial _{\mu }\ =\left({\frac {1}{c}}{\frac {\partial }{\partial t}},\nabla \right)}$

L'equazione di continuità si può scrivere anche come:

${\displaystyle J^{a}{}_{,a}=0}$

dove ${\displaystyle ;}$ denota la derivata covariante.

Note

• Corrado Mencuccini, Vittorio Silvestrini, Fisica II, Napoli, Liguori Editore, 2010, ISBN 978-88-207-1633-2.
• (EN) John D Jackson, Classical Electrodynamics, 3rd Edition, Wiley, 1999, ISBN 0-471-30932-X.
• Jerry D. Wilson, Antony J. Buffa, Fisica 3, Milano, Principato, 2000, ISBN 88-416-5803-7
• (EN) Linus C. Pauling, The Nature of the Chemical Bond and the Structure of Molecules and Crystals: an introduction to modern structural chemistry, 3ª, Cornell University Press, 1960, ISBN 0-8014-0333-2. URL consultato il 29 marzo 2010.
• (EN) Per F. Dahl, Flash of the Cathode Rays: A History of J J Thomson's Electron, CRC Press, 1997, ISBN 0-7503-0453-7. URL consultato il 1º aprile 2010.
• (EN) Theodore Arabatzis, Representing Electrons: A Biographical Approach to Theoretical Entities, University of Chicago Press, 2006, ISBN 0-226-02421-0. URL consultato il 1º aprile 2010.

Voci correlate

• Condensatore (elettrotecnica)
• Campo elettrico
• Carica frazionaria
• Carica puntiforme
• Elettrizzazione
• Elettrostatica
• Legge di conservazione della carica elettrica
• Storia dell'elettricità
• Trasporto di carica elettrica