Post on 01-May-2015
Fenomeni elettrici
• Legge di Coulomb
• Campo elettrico e potenziale elettrostatico
• Corrente elettrica
Modello dell’atomo, carica elettrica, forza tra cariche stazionarie
Campo elettrico, linee di forza, lavoro della forza elettrostatica,potenziale elettrostatico, condensatore
Corrente continua, resistenza e legge di Ohm, potenza elettrica, correnti alternate, effetti sul corpo umano
Modello dell’atomo
-
-
-
-
-
- -
-
-
-
-
+ +
nucleo
elettroniLa stabilità del nucleo è assicurata daforze attrattive tra cariche elettriche di segno opposto
-e9,1110-31Elettrone
01,6710-27Neutrone
+e1,6710-27Protone
carica el.massa (kg)
nucleo
Corpi carichi: negativamente eccesso di elettroni
positivamente carenza di elettroni
Corpi neutri: equilibrio tra cariche positive e cariche negative
Es: Na
Carica elettrica
• Può essere positiva (+), negativa (-) o neutra (0);
• È “quantizzata”, ovvero può essere solo un multiplo intero della carica elementare e (carica dell’elettrone)
• Si conserva in ogni trasformazione fisica;
Unità di misura (S.I.) : coulomb (C)
1 e+ = +1,6·10-19 C
1 e- = -1,6·10-19 C1 C = 6,25·1018 e
Legge di Coulomb
221
r
qqkF
Date due cariche puntiformi q1 e q2, poste a distanza r, si esercita
tra di esse una forza F (forza di Coulomb o elettrostatica) diretta
lungo la congiungente le due cariche, di modulo pari a
q1 q2
r
F - F
+ -
Nel vuoto: 2C
mN 109 k k
29
o
repulsiva per cariche dello stesso segno
attrattiva per cariche di segno opposto
La forza di Coulomb è
Legge di Coulomb
221
r
qqkF
Nel vuoto:oε π 4
1 k k o
In un mezzo la forza di Coulomb si riduce:
ror
o
εε π4
1
ε
k k
εo costante dielettrica del vuoto
εr >1 costante dielettrica relativa
H2O: εr=80 vuotoOH k 80
1 k
2
Campo elettrico
E +q
–Q
rd
Qq k F 2
ˆ
Intensità di campo elettrico E:
+Q
+q
E
q
F E
Unità di misura:
C
N
coulomb
newton
rd
Q k
q
F E 2
ˆ
(campo elettrico generatoda una carica puntiforme)
Il campo elettrico E non dipende dal valore della carica esploratrice q, ma solo da Q
F = q E Dato E
Campo elettricoNel caso di più cariche, l’intensità del campo elettrico è data dalla somma vettoriale dei vettori intensità generati da ciascuna carica
+ +Linee di forza generate da duecariche uguali
Campo elettricoLinee di forza generate da due cariche di segno opposto
Potenziale elettrostatico
LAB = UA - UB
A
B
E
+Q
L = F · AB = qE · AB Il lavoro della forza elettrostaticanon dipende dal percorso seguito
forza conservativa:
V V-V q
UU
q
LBA
BAAB
ΔV: differenza di potenziale (d.d.p.)
Unità di misura:
(coulomb) C 1
(joule) J 1 (volt)V 1
La differenza di potenziale ΔV è il lavoro necessario per spostare la carica di 1 C da A a B
q
Energia potenziale elettrica in BPotenziale elettrostatico in
B: VB = UB/q
Potenziale elettrostatico
V-V V d E q
LBA
AB
Il campo elettrico E si misura in N/C oppure V/m d
V
q
F E
LAB = q·ΔV
1 eV = 1,6·10-19 C · 1V = = 1,6·10-19 J
Elettronvolt (unità pratica di energia)
1 eV è l’energia cinetica acquistata da una carica elementare enell’attraversare una differenza di potenziale di 1 V.
Condensatore piano
+ + + + + + + + + + + +
- - - - - - - - - - -
carica +Q
carica -Q
d E
area A
+ + + + + + + ++ + + + + + + +
isolante tra le due armature
Capacità elettrica C: V
QC
Unità di misura (S.I.): farad (F) = coulomb/volt
(F = 10-6 F, nF=10-9 F, pF=10-12 F)
d
AεεC ro
ΔV
Si accumulano caricheelettriche sulle due piastrecreando un campo elettrico Ee una d.d.p. ΔV= E·d
Condensatore a facce piane e parallele:
+
-
Condensatore piano
Nota: - occorre compiere lavoro per caricare le due piastre A e B
(lavoro compiuto da un generatore elettrico)
- l’energia accumulata puo’ essere poi usata
- utilizzato nei circuiti elettrici (simbolo )
Nota: le membrane cellulari si comportano come un condensatore !!
capacità C pF (10-12 F)
Corrente elettrica
Rappresenta un flusso di cariche che si muovono in un mezzo/vuoto:
cariche positive verso punti a potenziale minore
cariche negative verso punti a potenziale maggiore
Esempio: filo metallico (VA > VB) -- - -A B
I
t
qI
Unità di misura: ampère (A)
[unità fondamentale del S.I. !]
Corrente elettrica:
I costante corrente continua
Quantità di carica che si sposta nell’unità di tempo
+ _
I positiva: verso del moto delle cariche positive (da + a - !)
Legge di Ohm
S
lResistenza elettrica di un conduttore:
SR
lρ
resistività:- caratteristica delmateriale- dipende dalla temperatura
IRV
+
-ΔV R
Resistenza elettrica R(es. lampadina, stufa, ...) simbolo
Generatoredi tensione(pila, dinamo, ..)
I
ampere 1
volt 1 )Ω( ohm 1
Unità di misura di R:
(legge di Ohm)
(20°C) [ohm·cm]sostanzeclasseconduttorimetallici
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
conduttorielettrolitici
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
Potenza elettrica
I
I
+
-V ?
A
B
Lavoro compiuto dalle forze elettriche per portare una carica q da A a B:
(J) VqLAB
Potenza elettrica:
(W) VIVt
q
t
LP AB
Se tra A e B c’è una resistenza R:R
VIRIVP
22
ΔV=R·I
L’energia fornita dal generatore elettrico viene dissipata in R
sotto forma di calore (effetto Joule)
Esempi
ΔV=50 VR=50 Ω
I+-
ΔV = 50 V R = 50 Ω
A1 50
V 50
V I t
L P
Esempio 1:
W50 V 50 A1
Esempio 2:
ΔV=220 VR
I+-
ΔV = 220 V P = 100 W
IV P V
P I
V 220
W100 A0,455
I
V R
P
V
2 489
IR V R
V I
Resistenze in serie e in parallelo
Resistenze in serie:
Resistenze in parallelo:
R1 R2
R1
R2
- +
- +
R
R
21 R R R
21 R
1
R
1
R
1
Condensatori in serie e in parallelo
Condensatori in serie:
- +
Condensatori in parallelo:
- +
C1 C2
C2
C1
C
C
21 C
1
C
1
C
1
21 C C C
Corrente alternata
RV
i ΔV i = ΔV/R
310 V
- 310 V
ms 20 s 50
1 ms 40
Frequenza in Italia/EU:
f = ν = 50 Hz
220 V
V 220 2
V 310
2
V V max
eff
2
I I max
eff effeff IV P
effeff IR V
Effetti corrente alternata sul corpo umano
Hz 100 10 ν
I ~ 1 mA ok 10 mA tetanizzazione dei muscoli 70 mA difficoltà di respirazione 100200 mA fibrillazione > 200 mA ustioni e blocco cardiorespiratorio
R = 200 2000 (bagn.) (asciutto)
! mA 110 2000
V 220
R
V I
Frequenze più pericolose
Fenomeni magnetici
La magnetite (Fe3O4) si orienta sempre nella direzione Nord-Sud
Nord (N)
Sud (S)
Estremi omonimi si respingono
Estremi eteronimi si attraggono
Effetti magnetici possono essere
indotti su oggetti non magnetizzati
campo “induzione magnetica” B
Non sono mai stati osservati poli magnetici separati (monopoli)!!
NS
Correnti elettriche danno luogo a campi magnetici e
variazioni del campo magnetico danno luogo a correnti elettriche
Elettromagnetismo
Onde elettromagnetiche
Unità di misura dell’ induzione magnetica B (S.I.):
1 T (tesla) = 1 N/A·m