elettromagnetismopersonalpages.to.infn.it/~obertino/didattica/at_2010/em1.pdf · 2010. 10. 26. ·...
TRANSCRIPT
Fis
ica
App
licat
a, A
rea
Infe
rmie
rist
ica,
M. R
uspa
ELETTROMAGNETISMO
Fis
ica
App
licat
a, A
rea
Infe
rmie
rist
ica,
M. R
uspa
L'atmosfera è continuamente sede di fenomeni elettrici e magnetici che vanno dal semplice accumulo di cariche elettrostatiche alle scariche dei fulmini durante i temporali
FENOMENI ELETTRICI E MAGNETICI
L’energia elettrica rappresenta una delle forme d'energia più comunemente e diffusamente utilizzate: basti pensare alla luce artificiale e agli elettrodomestici che sono presenti nelle nostre case
Fis
ica
App
licat
a, A
rea
Infe
rmie
rist
ica,
M. R
uspa
Nei sistemi biologici la forza elettrica interviene nella trasmissione degli impulsi nervosi, nella contrazione delle fibre muscolari, nei meccanismi di trasferimento cellulare
FENOMENI ELETTRICI E MAGNETICI
Fis
ica
App
licat
a, A
rea
Infe
rmie
rist
ica,
M. R
uspa
APPLICAZIONI MEDICHE
Diverse sono le apparecchiature mediche che utilizzano campi elettrici, magnetici e elettromagnetici (onde) a scopo diagnostico
ECG, EEG osservando le differenze di potenziale tra diverse parti del corpo si traggono informazioni sul funzionamento del cuore e del cervello
La risonanza magnetica utilizza campi magnetici e onde radio per produrre immagini tridimensionali degli organi
La tomografia assiale computerizzata (Tac) si basa sull'utilizzo dei raggi X per ricostruire immagini tridimensionali grazie al computer
Tecniche di imaging come - Scintigrafia (SPECT) - PET sono basate sull’uso di onde elettromagnetiche
Fis
ica
App
licat
a, A
rea
Infe
rmie
rist
ica,
M. R
uspa
CARICA ELETTRICA
Tutto ciò che ha a che fare con l’elettricità trae origine da una proprietà della materia chiamata carica elettrica
In natura esistono due tipi di carica elettrica: positiva e negativa
>> Unita’ di misura nel S.I.
La carica elettrica non si crea ne’ si distrugge ma si trasferisce da un corpo all’altro
Fis
ica
App
licat
a, A
rea
Infe
rmie
rist
ica,
M. R
uspa
DOVE SI TROVA LA CARICA
ELETTRICA?
Nel suo stato normale, un atomo contiene lo stesso numero di protoni e di elettroni, ed è quindi elettricamente neutro
Elettroni e nucleo si attraggono con una forza tanto più intensa quanto più sono vicini. Gli elettroni più esterni sono meno fortemente legati e possono in taluni casi allontanarsi dall’atomo di origine
Fis
ica
App
licat
a, A
rea
Infe
rmie
rist
ica,
M. R
uspa
ELETTRIZZAZIONE DEI CORPI
Esempi osservabili nella vita quotidiana:
se si fa scorrere vigorosamente un pettine tra i capelli asciutti questi ultimi si elettrizzano
se strofiniamo su della lana un oggetto di plastica, esso si carica elettricamente ed attira o respinge piccoli frammenti di carta
Fis
ica
App
licat
a, A
rea
Infe
rmie
rist
ica,
M. R
uspa
CARICA ELETTRICA DI UN CORPO
Poiché la carica elettrica Q di un corpo rappresenta un eccesso o un difetto di elettroni, Q sarà sempre uguale ad un multiplo intero (positivo o negativo) della carica dell’elettrone (qe)
Esercizio
Una bacchetta di vetro strofinata con un panno acquista una carica elettrica Q=3.2·10-10 C. Quanti elettroni si trasferiscono dal vetro al panno?
|qe| = 1.6 · 10-19 C
Fis
ica
App
licat
a, A
rea
Infe
rmie
rist
ica,
M. R
uspa
IONI
FE
Na+ Cl-
Sodio cede un elettrone al Cloro
La perdita di uno o più e+ trasforma gli atomi in ioni positivi L’acquisizione di uno o più e+ trasforma gli atomi in ioni negativi
Si formano così gli ioni Na+ e Cl- Tali ioni si attraggono
Si forma così un composto ionico detto Cloruro di sodio (sale da cucina)
• Ioni Na+ e Cl- si trovano anche nel plasma sanguigno • Ioni Na+ e K+ giocano un ruolo fondamentale nella trasmissione dell’impulso nervoso
Na Cl
e-
Fis
ica
App
licat
a, A
rea
Infe
rmie
rist
ica,
M. R
uspa
INTERAZIONE TRA CARICHE
Questo vuol dire che oggetti carichi esercitano una forza l’uno sull’altro
+ q2
- q1
- q2
- q1 Oggetti con carica dello stesso segno si respingono
Oggetti con carica di segno opposto si attraggono
+q2
+q1
>> Unita’ di misura nel S.I.
Fis
ica
App
licat
a, A
rea
Infe
rmie
rist
ica,
M. R
uspa
€
k = k0 = 9 ⋅109N[ ] ⋅ m[ ]2
C[ ]2nel vuoto
nella materia εr costante dielettrica relativa
Mezzo dielettrico εr
Aria secca 1,0006 Carta comune 2 Gomma 2,2 - 2,5 Porcellana 4 – 7 Vetro 6 – 8 Acqua pura 81,07 Ossido di titanio 90 - 170
εr = 1 nel vuoto
In tutti gli altri casi εr > 1
FORZA DI COULOMB
€
FCoulomb = k q1q2r2
Fis
ica
App
licat
a, A
rea
Infe
rmie
rist
ica,
M. R
uspa
FORZA DI COULOMB e ….
MA
• la forza che agisce tra due cariche elettriche e’ molto piu’ intensa la costante deve essere molto piu’ grande di G
• la forza che agisce tra due cariche elettriche e sia attiva sia repulsiva (attiva se le cariche hanno segno opposto, repulsiva se le cariche hanno lo stesso segno)
€
FCoulomb = k0q1q2r 2
Fis
ica
App
licat
a, A
rea
Infe
rmie
rist
ica,
M. R
uspa
CAMPO ELETTRICO
Una massa M (es.Terra) genera intorno a se un CAMPO GRAVITAZIONALE
Effetto del campo:
una massa m risente una carica q risente di una di una forza attrattiva forza attrattiva/repulsiva
M Q
q
Una distribuzione di cariche Q genera intorno a se un CAMPO ELETTRICO (E)
Una massa e la carica perturbano lo spazio circostante!
Fis
ica
App
licat
a, A
rea
Infe
rmie
rist
ica,
M. R
uspa
CAMPO ELETTRICO GENERATO DA UNA CARICA PUNTIFORME
E non dipende dal valore della carica di prova q, ma solo dalla carica Q che lo genera!
+Q
E →
–Q
>> Unita’ di misura nel S.I.
E
Fis
ica
App
licat
a, A
rea
Infe
rmie
rist
ica,
M. R
uspa
LINEE DI CAMPO (carica positiva)
+Q
E →
Le linee di campo generate da una singola carica puntiforme positiva sono semirette uscenti dalla carica sorgente
Dove le linee di forza sono più fitte (zona azzurra) il campo elettrico è più inteso; dove sono più rade (zona giallina) il campo
elettrico è meno intenso.
Un metodo grafico per rappresentare il campo elettrico consiste nell’utilizzo di linee orientate dette linee di campo.
Campo elettrico ha direzione tangente alle linee di forza e verso concorde a queste ultime.
Fis
ica
App
licat
a, A
rea
Infe
rmie
rist
ica,
M. R
uspa
LINEE DI CAMPO (carica negativa)
+q
F E →
–Q
Le linee di campo generate da una singola carica puntiforme negativa sono semirette entranti nella carica sorgente
-q
In generale le linee di campo: - partono da cariche positive o dall’infinito - terminano in cariche negative o all’infinito
Fis
ica
App
licat
a, A
rea
Infe
rmie
rist
ica,
M. R
uspa
ESERCIZIO Un nucleo di uranio ha una carica di 92e. Qual’è l’intesità del campo elettrico da esso generato ad una distanza di 10-10 m? Che direzione e verso ha il campo elettrico? Quant’è l’intensità della forza che agisce su un elettrone posto a quella distanza?
Fis
ica
App
licat
a, A
rea
Infe
rmie
rist
ica,
M. R
uspa
CAMPO ELETTRICO GENERATO DA PIU’ CARICHE
Se in una regione di spazio sono presenti piu’ cariche elettriche il campo elettrico totale sara’, punto per punto, la somma vettoriale dei campi elettrici generati dalle singole cariche in quel punto.
Fis
ica
App
licat
a, A
rea
Infe
rmie
rist
ica,
M. R
uspa
CONDENSATORI A FACCE PIANE E PARALLELE
Il campo E tra le armature di in condensatore e’: - ortogonale alle armature - uniforme
+ + + + + + + + + + + +
- - - - - - - - - - -
carica +Q
carica -Q
d
+ + + + + + + + + + + + + + + +
- - - - - - - - - - - - - - - -
Fis
ica
App
licat
a, A
rea
Infe
rmie
rist
ica,
M. R
uspa
LAB = UA - UB Energia potenziale
elettrica in B
ENERIA POTENZIALE ELETTRICA
Anche per la forza elettrica si puo’ definire un’energia potenziale (la forza elettrica e’ conservativa)
>> Unita’ di misura nel S.I.
+ + + + + + + + + + + +
- - - - - - - - - - -
carica +Q
carica -Q
+ + + + + + + + + + + + + + + +
- - - - - - - - - - - - - - - -
Fis
ica
App
licat
a, A
rea
Infe
rmie
rist
ica,
M. R
uspa
€
LAB =UA −UB = qVA − qVB =
La differenza di potenziale ΔV tra u punto A e un punto B dello spazio è il lavoro necessario per spostare la carica di 1 C da A a B
Potenziale elettrostatico in B:
DIFFERENZA DI POTENZIALE
>> Unita’ di misura nel S.I.
€
VB = UB
q
Fis
ica
App
licat
a, A
rea
Infe
rmie
rist
ica,
M. R
uspa
CIRCUITI ELETTRICI Prendiamo due corpi, uno carico positivamente e l’altro carico negativamente, tra cui esiste una differenza di potenziale
Collegando i due corpi con un filo di materiale condutture le cariche negative si muoveranno verso il corpo carico positivamente per azzerare la differenza di potenziale
Collocando una lampadina lungo la strada delle cariche è possibile accenderla
+ - V1 V2
+ - V1 V2
+ - V1 V2
Fis
ica
App
licat
a, A
rea
Infe
rmie
rist
ica,
M. R
uspa
CIRCUITI ELETTRICI
Generatore di differenza di potenziale
Dispositivo elettrico semplice
ΔV=V1-V2 - +
Per mantenere il moto delle cariche serve un generatore di differenza di potenziale (ΔV)
Spesso la differenza di potenziale viene anche chiamata forza elettromotrice (f.e.m.) o tensione
Generatore di differenza di potenziale
Fis
ica
App
licat
a, A
rea
Infe
rmie
rist
ica,
M. R
uspa
CORRENTE ELETTRICA
Il moto ordinato di cariche elettriche all’interno di un materiale è detto CORRENTE ELETTRICA.
I
>> Unita’ di misura nel S.I.
La corrente che scorre all'interno di un corpo non e' qualcosa che viene dall'esterno: sono le cariche elettriche contenute in quel corpo che si muovono
Fis
ica
App
licat
a, A
rea
Infe
rmie
rist
ica,
M. R
uspa
PRIMA LEGGE DI OHM
>> Unita’ di misura di R nel S.I.
+
- ΔV R
Resistenza elettrica R (es. lampadina, stufa, ...) simbolo
Generatore di tensione (pila, dinamo, ..)
I
Fis
ica
App
licat
a, A
rea
Infe
rmie
rist
ica,
M. R
uspa
Esercizio
• Una batteria con una differenza di potenziale di 1.5 V sviluppa una corrente di 0.44 A che attraversa una lampadina per 64 s. Trovare
a. la carica che scorre nel circuito b. il lavoro fatto dalla batteria c. la potenza erogata dalla batteria d. la resistenza della lampadina
Fis
ica
App
licat
a, A
rea
Infe
rmie
rist
ica,
M. R
uspa
Seconda legge di Ohm
Seconda legge di Ohm
resistività: - caratteristica del materiale - dipende dalla temperatura
La resistenza elettrica di un conduttore di sezione S e lunghezza l si calcola come:
Unità di misura: • R = resistenza elettrica in Ω • l = lunghezza del conduttore in m • S = sezione del conduttore (in m² - unità pratica mm²) • ρ = resistività del conduttore (in Ω·m - unità pratica Ω · cm)
l
S
Fis
ica
App
licat
a, A
rea
Infe
rmie
rist
ica,
M. R
uspa
ρ (20°C) [ohm·cm]
conduttori metallici
argento .................................... rame ......................................... alluminio ................................ ferro ......................................... mercurio ..................................
1.62 10–6 0.17 10–5 0.28 10–5 1.10 10–5 9.60 10–5
conduttori elettrolitici
KCl (C=0.1 osmoli) ................ liquido interstiziale ................ siero (25°C) ............................. liquido cerebrospinale (18°C) assoplasma di assone ............
85.4 60 83.33 84.03 200
germanio ............................... silicio .....................................
1.08 100
isolanti alcool etilico ........................ acqua bidistillata ................ membrana di assone ......... vetro ....................................
3 105 5 105 109 1013
semiconduttori
Fis
ica
App
licat
a, A
rea
Infe
rmie
rist
ica,
M. R
uspa
ESERCIZIO
Una fibra nervosa puo’ essere approssimata come un lungo cilindro. Se il suo diametro e’ 10-5 m e la sua resistivita’ e’ 2 Ωm, qual’e’ la resistenza di una fibra lunga 0.3 m? Quale sarebbe la resistenza di un filo di rame con le stesse caratteristiche geometriche?
Fis
ica
App
licat
a, A
rea
Infe
rmie
rist
ica,
M. R
uspa
Corrente elettrica nelle soluzioni L’acqua pura presenta un’elevata resistenza e può essere considerata un isolante. Se in acqua si scioglie un sale o un acido o una base la soluzione risulta conduttrice perché in essa sono presenti cariche libere di muoversi (ioni).
Se si introducono in una soluzione due elettrodi collegati ai poli di un generatore si avrà un passaggio di corrente dovuto al movimento degli ioni: gli ioni positivi (cationi) migreranno verso l’elettrodo positivo (catodo), quelli negativi (anioni) verso l’elettrodo negativo (anodo).
Esempio : NaCl
Na+ Cl–
in acqua