In fisica, la forza elettromagnetica è un’influenza che colpisce le particelle caricate elettricamente. Insieme alla gravità, è la forza che gli esseri umani incontrano di più ogni giorno e spiega la maggior parte dei fenomeni con cui le persone hanno familiarità. È responsabile dell’elettricità, del magnetismo e della luce; tiene insieme elettroni e protoni negli atomi; e consente agli atomi di legarsi insieme per formare molecole e guidare le reazioni chimiche. Questa forza è anche responsabile della solidità degli oggetti solidi ed è la ragione per cui non possono attraversarsi l’un l’altro.
La forza elettromagnetica è una delle quattro forze fondamentali della natura. Gli altri tre sono la forza gravitazionale, la forza nucleare forte e la forza nucleare debole. La forza nucleare forte è la più forte di queste, ma opera solo su un raggio estremamente corto. La forza elettromagnetica è la seconda più forte e, come la gravità, opera su distanze illimitate.
La legge dell’inverso del quadrato
Come la gravità, la forza elettromagnetica segue la legge dell’inverso del quadrato. Ciò significa che la forza della forza è inversamente proporzionale al quadrato della distanza dalla sua sorgente. Quindi, per esempio, se qualcuno si allontana di 5 unità dalla fonte della forza, l’intensità si riduce a 1/25.
Cariche positive e negative
A differenza della gravità, la forza elettromagnetica è percepita solo da oggetti che hanno una carica elettrica, che può essere positiva o negativa. Gli oggetti con diversi tipi di carica si attraggono, ma quelli con lo stesso tipo si respingono. Ciò significa che la forza può essere attrattiva o repulsiva, a seconda delle cariche coinvolte. Poiché la maggior parte degli oggetti, il più delle volte, non hanno una carica elettrica complessiva, non sentono la forza elettromagnetica, il che spiega perché la gravità, sebbene sia una forza molto più debole, domina su grandi scale.
Quando due materiali diversi sfregano insieme, gli elettroni possono spostarsi da uno all’altro, lasciando uno con una carica positiva e l’altro con una carica negativa. I due si attraggono quindi l’un l’altro e possono essere attratti da oggetti elettricamente neutri. Questa è nota come elettricità statica e può essere dimostrata da vari semplici esperimenti, come strofinare un palloncino con un pezzo di pelliccia e attaccarlo a un muro: è trattenuto lì dall’attrazione elettrostatica.
Una corrente elettrica scorre quando gli elettroni si muovono lungo un filo o un altro conduttore da una regione con un eccesso di elettroni a una dove c’è un deficit. Si dice che la corrente fluisca da negativo a positivo. In un circuito semplice che utilizza una batteria, gli elettroni fluiscono dal terminale positivo a quello negativo quando il circuito è completato.
Su scala atomica, l’attrazione tra i protoni caricati positivamente nel nucleo e gli elettroni caricati negativamente all’esterno tiene insieme gli atomi e consente loro di legarsi tra loro per formare molecole e composti. I protoni nel nucleo sono tenuti in posizione dalla forte forza nucleare, che, a questa scala estremamente piccola, vince la repulsione elettromagnetica.
Campi elettromagnetici
Il concetto di campi elettromagnetici è stato sviluppato per la prima volta dallo scienziato Michael Faraday all’inizio del XIX secolo. Ha mostrato che gli oggetti caricati elettricamente e magnetizzati possono influenzarsi a vicenda a distanza. Ad esempio, una corrente elettrica che scorre attraverso una bobina di filo potrebbe deviare l’ago di una bussola e indurre una corrente in un’altra bobina vicina. Ha anche mostrato che un campo magnetico variabile potrebbe produrre una corrente elettrica in un filo. Ciò ha stabilito una connessione tra elettricità e magnetismo e l’esistenza di un campo che varia con la distanza che circonda oggetti elettricamente carichi o magnetici.
Più tardi nel 19° secolo, il fisico James Clerk Maxwell produsse una serie di equazioni che spiegavano non solo la relazione tra elettricità e magnetismo, ma mostravano anche che la luce era un disturbo simile a un’onda del campo elettromagnetico. Raggiunse questa conclusione quando calcolò la velocità con cui viaggiano le influenze elettromagnetiche e scoprì che questa era sempre la velocità della luce. L’implicazione era che la luce fosse una forma di radiazione elettromagnetica che viaggiava come onde. Ciò ha portato alla teoria dell’elettrodinamica classica, in cui un’onda elettromagnetica è generata da una carica elettrica in movimento. Il movimento di una bobina di filo in un campo magnetico può generare onde radio a bassa energia, mentre il movimento più energico degli elettroni in un filo caldo può generare luce visibile.
Elettrodinamica quantistica
Con l’indagine di Einstein sull’effetto fotoelettrico, in cui la luce può rimuovere gli elettroni da una superficie metallica, è arrivata la scoperta che la radiazione elettromagnetica (EMR) può comportarsi come particelle oltre che come onde. Queste particelle sono chiamate fotoni. Gli elettroni in un atomo possono guadagnare energia assorbendo un fotone e perdere energia emettendone uno. In questo modo, l’EMR può essere spiegato come l’emissione di fotoni quando gli elettroni subiscono un calo dei livelli di energia.
Secondo la teoria quantistica, tutte e quattro le forze della natura possono essere spiegate in termini di scambio di particelle, come le foto nel caso della forza elettromagnetica. Per spiegare questa forza in modo coerente con la teoria quantistica, è stata sviluppata la teoria dell’elettrodinamica quantistica. L’idea è che la forza elettromagnetica sia mediata da fotoni “virtuali” che esistono solo fugacemente durante le interazioni tra particelle cariche. Spiega tutte le interazioni elettromagnetiche e test rigorosi hanno dimostrato che si tratta di una teoria molto accurata.