Tutti i fenomeni elettrici e magnetici hanno origine dalle cariche elettriche. La carica elettrica è una delle proprietà fondamentali della materia. Dall'interazione fra particelle materiali dotate di carica elettrica si generano forze che si rappresentano con una grandezza fisica detta campo elettrico.

Campo Elettrico

Le cariche elettriche sono di due specie diverse, positiva e negativa. La carica elettrica si misura in coulomb. Le cariche di ugual segno si respingono e quelle di segno opposto si attraggono. La forza che descrive la loro interazione è data dalla legge di Coulomb

\(F=\frac{1}{4\pi\varepsilon_{0}}\frac{q_{1}q_{2}}{r^{2}}\)

dove \(q_{1},q_{2}\) sono le cariche e \(\varepsilon_{0} = 8.854⋅10^{-12\,}F/m\) è la costante dielettrica del vuoto.

Questa descrizione si basa sul concetto newtoniano di forza a distanza, oggi sostituito dal concetto di campo. Ogni singola carica, \(Q\), con la sua presenza, modifica lo spazio circostante in modo tale che quando un’altra carica viene a trovarsi in questa regione di spazio essa subisce l'azione di una forza.

\(\overrightarrow{E}=\frac{\overrightarrow{F}}{q}=\frac{1}{4\pi\varepsilon_{0}}\frac{Q}{r^{2}}\)

Secondo questo modo di vedere, lo spazio è divenuto sede di un campo di forze. Il campo è quindi definito come una “forza per unità di carica”.

Dipolo Elettrico

Un caso utile al nostro scopo è quello del dipolo elettrico, cioè due cariche di uguale intensità e segno opposto separate da una distanza \(d\); se le cariche di segno opposto sono distribuite, ad esempio, su due superfici piane separate da una distanza \(d\), si parla di condensatore.

Una antenna a dipolo, nelle telecomunicazioni, è il più semplice tipo di antenna per le comunicazioni radio, costituito da due bracci uguali aperti realizzati con un conduttore elettrico lineare su cui scorrono le correnti elettriche che irradiano il campo elettromagnetico a distanza.

Lavoro in un campo elettrico

Consideriamo una regione in cui è presente solo un campo elettrico. Se una carica elettrica \(q\) si sposta dal punto \(P_{1}\) ad un punto \(P_{2}\) lungo una linea \(s\), il campo elettrico compie un lavoro che è indipendente dal percorso seguito ma che dipende solo dalla posizione dei due punti \(P_{1}\) e \(P_{2}\). In questo caso, se consideriamo il lavoro sull'unità di carica, questa quantità è detta differenza di potenziale (misurata in volt) tra \(P_{1}\) e \(P_{2}\).

\(V_{12} = \frac{L_{12}}{q}\)

Energia associata ad un campo elettrico

Alla presenza di un campo elettrico in una certa zona di spazio, è sempre associata una particolare forma di energia, la cui densità (energia per unità di volume) è data da:

\(E_{e} = \frac{1}{2}\varepsilon E^{2}\) misurata in \(\frac{J}{m^{3}}\)

Campo Magnetico

Quando le cariche elettriche sono in movimento (o, in altre parole, quando è presente una corrente elettrica) l'esperienza ha dimostrato che esse danno origine anche ad un campo magnetico, \(\overrightarrow{H}\). Le cariche elettriche sono dunque la sorgente sia del campo elettrico sia del campo magnetico e si può, in sintesi, dire:

• cariche immobili, solo campo elettrico
• cariche in movimento, campo elettrico e campo magnetico

Quando il campo elettrico e il campo magnetico sono rapidamente variabili nel tempo, l’esistenza di uno dei campi implica necessariamente la presenza anche dell'altro. A differenza delle linee di campo elettrico, che si originano dalle cariche positive e terminano su quelle negative, le linee di campo magnetico circondano le correnti, sviluppandosi in percorsi chiusi senza origine né fine.