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Nei libri di testo, molti esempi di lavoro sono basati su casi in cui occorra vincere la forza di gravità -- come negli esempi riportati nella precedente sezione 18. Se si solleva un mattone dal pavimento al tavolo, si compie (o "si investe") un lavoro e si guadagna energia potenziale gravitazionale, e questa energia può essere riconvertita nel lavoro necessario a sollevare un diverso mattone. Ma in natura esistono anche altre forze, come la forza elettrica.
Le forze elettricheLa materia ordinaria consiste di elettroni negativi e nuclei atomici positivi, e le loro cariche elettriche si attraggono reciprocamente. È questo ciò che tiene insieme gli atomi! La materia ordinaria possiede una uguale quantità di cariche positive e di cariche negative.Tuttavia, strofinando (diciamo) un pezzo di vetro con un panno asciutto di lana, gli elettroni possono essere rimossi, lasciando il vetro positivo, mentre gli stessi elettroni sono catturati dal panno che quindi acquista una carica negativa. Altri materiali (come l'ambra) attraggono gli elettroni dal panno di lana e quindi diventano negativi quando vengono strofinati. Gli oggetti con carica positiva attraggono quelli con carica negativa, ma due oggetti caricati positivamente, oppure due oggetti caricati negativamente, si respingono tra loro. Esistono altri modi per staccare gli elettroni dalla materia, ma il processo è auto-limitante. Supponiamo infatti di depositare degli elettroni aggiuntivi su un oggetto: l'oggetto diventa carico negativamente, ma così respingerà ogni altro elettrone, non permettendo una ulteriore aggiunta alla sua carica. Matematicamente questo può essere espresso da una "pressione elettrica" negativa (nota anche come "voltaggio" negativo, poichè viene misurata in unità chiamate volt) che respinge ogni altra carica negativa. Se questo voltaggio (o "tensione") diventa troppo elevato, gli elettroni possono essere espulsi sotto forma di scintilla, ed esiste un effetto simmetrico per le cariche positive, in cui gli elettroni vengono violentemente attratti dai materiali circostanti. Questo è ciò che accade nei fulmini, dove i processi in una nube temporalesca (ved. figura qui sotto) separano le cariche elettriche e generano alte tensioni. In generale, le punte producono scintille, anche a basse tensioni, mentre una grossa sfera, con una curvatura piuttosto blanda, difficilmente produce scintille. La cosa interessante da notare è che la forza di repulsione (o di attrazione) esiste soltanto al di fuori della sfera: all'interno di una cavità chiusa non si osservano forze o tensioni elettriche. Vi potrà far piacere sapere che se state seduti all'interno della carlinga chiusa di alluminio di un aeroplano, mentre questa viene ccolpita da un fulmine, le forze elettriche non vi provocheranno alcun effetto.
L'invenzione di Van de GraaffNel 1929 Robert Van de Graaff a Princeton trovò un nuovo metodo per caricare una sfera cava con un'alta tensione. Egli montò la sfera in cima a una colonna ben isolata elettricamente, dentro la quale una cinghia di gomma scorreva attorno a due pulegge -- una dentro la sfera, e l'altra (fatta girare da un motore) alla base della colonna. Alla base della colonna vi era anche un generatore di tensione negativa, collegato a una serie di punte che inviavano cariche negative sulla cinghia. Anche le cariche positive possono essere inviate, ma in questo caso ci occuperemo degli elettroni. L'altra estremità del generatore di tensione era collegata a terra, cosicché quando gli elettroni venivano espulsi, ne arrivavano altri a rimpiazzarli, evitando in tal modo un accumulo di cariche positive.Poiché la gomma non conduce l'elettricità (cioè non consente alle cariche elettriche di muoversi da un punto all'altro, come avviene nei metalli), la cinghia trasporta le sue cariche dentro la sfera, nel cui interno un'altra serie di punte, poste vicine alla cinghia, le raccoglievano. Le punte erano collegate con dei fili alla sfera, cosicché la carica si distribuiva su di essa. Progressivamente la sfera diveniva sempre più negativa. Questo non impediva che gli elettroni si scaricassero all'interno della cavità, ma la tensione all'esterno, tuttavia, poteva salire fino ad alcuni milioni di volt. Quando questa tensione diventava abbastanza alta, in genere una scintilla, simile a un fulmine, si scaricava verso il suolo o verso un opportuno bersaglio metallico. Nel Museo delle Scienze di Boston (come in molti altri musei del mondo) è installato un generatore di questo tipo, che viene usato per offrire ai visitatori una impressionante dimostrazione.
L'energia e il lavoro compiutoMentre la sfera si carica, essa accumula energia elettrica. Da dove proviene quell'energia? Semplice. Abbiamo detto che anche quando la sfera è caricata a milioni di volt, all'interno sono assenti le forze elettriche, che quindi non pongono alcun ostacolo all'invio delle cariche dalla cinghia alle punte. Ma all'esterno della sfera tali forze esistono! Quando la cinghia trasporta le cariche elettriche negative verso la sfera deve vincere la forza repulsiva F delle cariche negative che si trovano già sulla sfera... e quindi compiere un lavoro! È il motore che deve vincere questa repulsione, e quindi è il motore la sorgente di energia. Se uno studente prova a far muovere la puleggia in basso mediante una manovella, sarà lui a fornire l'energia, ma dovrà fare attenzione alle scintille!
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