Campo gravitazionale ed elettrico

Campo gravitazionale ed elettrico

Immaginiamo uno spazio infinitamente esteso ed assolutamente vuoto; esso è evidentemente privo di proprietà fisiche; per esempio: se mettiamo in un suo qualunque punto una massa M essa non è soggetta ad alcuna azione. Però ora non possiamo più dire che lo spazio è privo di proprietà fisiche; infatti, se vi mettiamo un'altra massa m, questa risulta soggetta a forze di natura gravitazionale. E se poi introduciamo nello spazio considerato una qualunque carica elettrica Q, ecco che esso acquista un'altra proprietà fisica, dato che qualsiasi altra carica q che vi venga introdotta, risulta soggetta a delle azioni di natura elettrostatica.

Ciò significa che una massa M, od una carica elettrica Q, provocano nello spazio circostante delle perturbazioni, le quali si rendono manifeste quando in tale spazio vengono introdotte altre entità fisiche che siano in grado di recepirle. Una regione dello spazio, che sia sede delle perturbazioni sopra descritte, viene detta campo: "campo gravitazionale" nel primo caso , "campo elettrico" nel secondo caso.

L'intensità della forza dovuta al campo gravitazionale è espressa dall'equazione:

F = G m₁ m₂ / r² (LEGGE DI NEWTON)

nella quale r è la distanza tra le due masse m₁ e m₂, mentre G è la costante di gravitazione, pari a:  6.67 ∙ 10 ^-11 N ∙ m²/kg²; essa rappresenta l'intensità della forza attrattiva tra due masse unitarie, situate a distanza unitaria.

La legge di Newton, nella forma più generale per la gravitazione universale, si può così enunciare: due masse puntiformi si attraggono con forze uguali, le cui intensità sono direttamente proporzionali alle masse medesime, e inversamente proporzionali al quadrato della loro distanza.

La legge di Newton rappresenta una sintesi grandiosa: la forza che muove l'universo appare la stessa che sulla Terra fa cadere una mela dal suo albero. Con la stessa teoria si spiegano il moto dei pianeti e dei loro satelliti, quelli delle comete e dei corpi celesti situati fuori dal sistema solare; sulla Terra tale legge, oltre al moto dei gravi, spiega anche le maree, la cui origine è l'azione gravitazionale lunare o luni-solare sulle acque degli oceani.

Si definisce potenziale gravitazionale in un punto A di un campo gravitazionale, la grandezza scalare che misura il lavoro che le forze del campo devono compiere per spostare l'unità di massa dal punto A fino ad un punto a distanza infinita.

Analogamente, l'intensità della forza dovuta al campo elettrico è espressa dall'equazione:

F = k q₁ q₂ / r² (LEGGE DI COULOMB)

nella quale r è la distanza tra le due cariche elettriche q₁ e q₂, mentre k è una costante pari a: 8,99 ∙ 10⁹ N ∙ m²/C²; essa rappresenta l'intensità della forza di attrazione o di repulsione tra due cariche elettriche puntiformi unitarie situate, nel vuoto, a distanza unitaria.

La legge di Coulomb si può così enunciare: "due cariche elettriche puntiformi si attraggono o si respingono con una forza diretta secondo la loro congiungente, la cui intensità è direttamente proporzionale al prodotto delle intensità delle cariche, ed inversamente proporzionali al quadrato della loro distanza".

Si definisce potenziale elettrico in un punto A di un campo elettrico, la grandezza scalare che misura il lavoro che le forze del campo devono compiere per portare l'unità di carica positiva da tale punto fino ad un punto a distanza infinita.

E' da sottolineare perfetta analogia formale delle due leggi di Newton e di Coulomb; per entrambe la forza che si esercita, dovuta al campo gravitazionale ed elettrico, diminuisce all'aumentare della distanza tra le due entità fisiche considerate, e si annulla completamente all'infinito. La sola differenza che esiste tra le forze gravitazionali ed elettriche è che, mentre la prima è soltanto attrattiva, l'altra può essere sia attrattiva che repulsiva.

Mentre la forza gravitazionale è sempre attrattiva, quella elettrica (e anche quella magnetica) è sia attrattiva che repulsiva, a seconda del segno delle cariche.
Pertanto nel campo elettrico riscontriamo fenomeni che non avvengono in quello gravitazionale. Per esempio se poniamo 2 cariche q₁ e q₂ in un mezzo isolante (il quale è composto di cariche positive e negative in ugual quantità) interagirà con entrambe le cariche. La forza misurata risulterà (all'equilibrio e in media) minore, per un fattore Er, della forza che si misurerebbe se le due cariche fossero nel vuoto alla stessa distanza.
L'interazione gravitazionale, per la quale non esiste un segno per le masse, non può dare origine ad alcun fenomeno di questo tipo.

La forza gravitazionale si esercita tra qualsiasi tipo di corpi (l'importante è la massa) mentre quella columbiana  agisce solo fra corpi dotati di carica elettrica.
Anche i valori delle intensità sono notevolmente differenti: per esempio la forza di attrazione elettrica protone elettrone nell'atomo di H è 10³⁹ volte maggiore di quella gravitazionale.