Tutti i fenomeni elettrici derivano dalla presenza negli atomi della materia di alcune particelle elementari (elettroni e protoni – fig. E1-1), che possiedono una proprietà fisica, denominata carica elettrica, rappresentabile attraverso un valore scalare pari a 1,6⋅10-19C e che può essere negativo (elettrone) o positivo (protone), e dalle conseguenti forze che interagiscono tra di esse.
Tra due cariche elettriche puntiformi q1 e q2, isolate ed immobili una rispetto all’altra, si manifesta infatti una forza attrattiva o repulsiva, a seconda che le cariche siano di segno opposto o dello stesso segno (fig. E1-2)
L’intensità di tale forza elettrostatica è diretta lungo la retta che congiunge le due cariche ed è (legge di Coulomb) proporzionale al prodotto delle due cariche ed inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza r:
con ε0 = 8,859 10-12 [F/m] costante dielettrica del vuoto e εr (≅1÷10) costante dielettrica relativa del mezzo isolante nel quale si trovano le due cariche.
Ogni carica elettrica produce quindi in ogni punto dello spazio circostante un campo elettrico K=F/q [N/C o V/m], che è un vettore definito come rapporto tra la forza che si esercita su di una carica positiva q (che si suppone non perturbi il campo preesistente) posizionata nel punto considerato e la carica medesima.
Se tale carica è libera di muoversi le traiettorie da essa descritte rappresentano le linee di forza del campo (fig. E1-3) (cioè linee la cui tangente in ogni punto è diretta come il campo in quel punto)
Alla carica unitaria si dà il nome di Coulomb [C]; tale carica unitaria se è posta di fronte ad una uguale alla distanza di 1 metro, è sottoposta alla enorme forza di (circa) 9 ⋅10^9 newton.
Nel movimento della carica q da un punto A ad un punto B in generale viene compiuto lavoro dalle forze del campo; il rapporto tra la conseguente energia spesa WAB e la carica q si definisce tensione o differenza di potenziale VAB
Si definisce infatti potenziale elettrico in un punto dello spazio il valore dell’energia potenziale posseduta da una carica elettrica unitaria positiva disloccata in quel punto; esso si misura in Joule/Coulomb = Volt [V].
Negli atomi gli elettroni sono vincolati a muoversi su date orbite per la forza di attrazione esercitata dei protoni del nucleo. A seguito dell’applicazione di una forza esterna alcuni degli elettroni più esterni possono uscire dalla loro orbita (elettroni liberi) lasciando dei vuoti che vengono riempiti da altri elettroni liberi uscenti dall’orbita di un altro atomo. Una corrente elettrica si produce quando degli elettroni liberi si muovono da un atomo all’altro (fig. E1-4).
Ai fini delle applicazioni pratiche è di grande importanza sia poter realizzare facilmente il trasferimento delle cariche elettriche da un punto ad un altro punto, sia poterlo impedire.
Entrambe queste possibilità vengono sfruttate nella tecnica utilizzando nel primo caso i cosiddetti materiali conduttori (argento, rame, alluminio, grafite, ecc.), nel secondo caso i materiali isolanti (quarzo, vetro, porcellana, mica, gomme, resine, carta, legno, ecc.).
Un cavo elettrico (fig. E1-5) è un esempio di utilizzo di materiali conduttori e isolanti.
L’impedimento con cui qualsiasi materiale si oppone, in misura più o meno elevata (in relazione a caratteristiche chimiche e temperatura) allo spostamento delle cariche elettriche al suo interno si chiama resistività e viene designata con il simbolo ρ. Ιl suo inverso si chiama conduttività γ. La resistività assume quindi valori molto bassi per i materiali conduttori (ad esempio: rame ≅ 0,017 [µΩ·m = Ωmm^2 /m]), molto elevati per i materiali isolanti (ad esempio: porcellana ≅ 2⋅10^19 [µΩ·m]).
Oltre ai materiali conduttori e isolanti, in campo elettrico sono molto diffusi anche i materiali semiconduttori, quali il silicio, che si comportano sia da conduttori che da isolanti (a seconda che una forza esterna sia applicata in una direzione o in quella opposta); questi materiali sono utilizzati per realizzare i vari dispositivi allo stato solido dell’elettronica industriale (diodi, tiristori, transistori). Vi sono poi dei materiali isolanti o cattivi conduttori, che a temperature bassissime diventano superconduttori.