CORRENTE ELETTRICA -...
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Fisicaa Applicata, Area Tecnica , M. Ruspa 1 CORRENTE ELETTRICA Il moto ordinato di cariche elettriche all’interno di un materiale è detto CORRENTE ELETTRICA. 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 >> Unita’ di misura nel S.I. : [A] Ampere 1A=1C/1s I = q/t Intensita’ di corrente
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CORRENTE ELETTRICA
Il moto ordinato di cariche elettriche all’interno di un materiale è detto CORRENTE ELETTRICA. 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
>> Unita’ di misura nel S.I. : [A] Ampere 1A=1C/1s
I = q/t Intensita’ di corrente
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CONDUTTORI E ISOLANTI Le proprieta’ elettriche di un corpo dipendono in modo determinante dal fatto che siano disponibili o meno al suo interno cariche elettriche libere di muoversi
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DIFFERENZA DI POTENZIALE
Affinche’ una o piu’ cariche si muovano tra due punti nello spazio e’ necessario che tra i suddetti punti ci sia una differenza di potenziale elettrico (simbolo ΔV)
Per comprendere il ruolo del potenziale elettrico e della differenza di potenziale e’ utile l’analogia con il flusso di acqua di un fiume. L’acqua (equivalente della carica elettrica in questa analogia) scorre solo tra due punti tra cui ci sia una differenza di altezza.
>> Unita’ di misura nel S.I. : [A] Ampere 1A=1C/1s
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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
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CIRCUITI ELETTRICI
Generatore di differenza di potenziale
DV 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
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ESEMPI DI GENERATORI DI TENSIONE
Pile
Batteria da 12V per auto
L'elettricità che arriva nelle nostre case è prodotta in apposite centrali elettriche e viaggia attraverso linee lunghe anche centinaia di chilometri
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ΔV = R ⋅ I
+
- ΔV R
Resistenza elettrica R (lampadina, stufa, ...)
Generatore di tensione (pila, dinamo, ..)
I
LEGGE DI OHM, RESISTENZA ELETTRICA
>> Unita’ di misura nel S.I. : [Ω] ohm 1V= 1Ω × 1A
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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
ENERGIA ELETTRICA
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I
I
+
- ΔV ?
A
B
Lavoro compiuto dalle forze elettriche per portare una carica q da A a B:
Potenza elettrica:
L’energia fornita dal generatore elettrico viene dissipata in R sotto forma di calore (effetto Joule)
POTENZA ELETTRICA
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ELETTRICITA’ PER USO DOMESTICO
L'elettricità che arriva nelle nostre case è prodotta in apposite centrali elettriche e viaggia attraverso linee lunghe anche centinaia di chilometri
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CORRENTE ALTERNATA La differenza di potenziale tra i due poli di una comune presa di corrente e’ alternata, ovvero presenta un andamento periodico con pocchi positivi e picchi negativi (in Europa +-310 V a 50 Hz)
Si puo’ dimostrare che la potenza media dissipata nella resistenza e’ uguale a quella che si avrebbe se alla resistenza fosse applicata una differenza di potenziale costante di 220 V
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CONDUZIONE ELETTRICA NEL CORPO UMANO
Il corpo umano è un buon conduttore elettrico perché nei suoi liquidi vi è un’elevata concentrazione di ioni. La resistenza offerta al passaggio di corrente dipende dai punti tra cui è applicata la tensione e dalle condizioni: la pelle secca è isolante (R=2kW), se bagnata conduce (R=2W)
Il passaggio di corrente può sviluppare calore, soprattutto nei punti in cui la corrente esce ed entra dal corpo, e causare scottature e ustioni
Se la corrente attraversa la regione cardiaca possono prodursi eccitazioni che interferiscono con l’attività di cuore e polmoni
Tempi di esposizione alla corrente brevi (< 1s) non sono in genere pericolosi
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I ~ 1 mA ok 10 mA tetanizzazione dei muscoli 70 mA difficoltà di respirazione 100÷200 mA fibrillazione > 200 mA ustioni e blocco cardiorespiratorio
Conduzione elettrica nel corpo umano
Tempi di esposizione lunghi ad una corrente alternata con frequenza 50Hz possono dar luogo a:
Se assumiamo per il corpo umano una R=2kW (pelle asciutta) il contatto accidentale con la tensione alternata presente nelle nostre case darebbe luogo ad una corrente:
Potenzialmente mortale
Per questo nelle case ci sono dispositivi di messa a terra e un interruttore salvavita che controlla la corrente che circola nell’impianto e interrompe il circuito in pochi ms se riscontra anomalie
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FENOMENI MAGNETICI
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MAGNETISMO
Il magnetismo è un’altra delle proprietà fondamentali della materia
Alcune pietre (calamite naturali o magneti) si attraggono a vicenda ed attraggono materiali come il ferro o l’acciaio
Un pezzo di acciaio temperato in presenza di un magnete acquista proprietà magnetiche che non perde neppure quando lo si separa dal magnete: diventa una calamita permanente
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Anche la Terra si comporta come una grande calamita
Un ago calamitato libero di girare intorno al suo centro (bussola) assume rispetto alla terra una posizione definita, orientandosi lungo la direzione nord-sud. L’estremità dell’ago che si orienta verso Nord si chiama “Polo Nord” del magnete. Analogamente è chiamata “Polo Sud” l’estremità che si rivolge a Sud
LA TERRA E’ UNA GRANDE CALAMITA
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POLI MAGNETICI
Qualunque magnete, come l’ago magnetico, presenta un Polo Nord e un Polo Sud. Se si spezza in due un magnete si ottengono 2 magneti, ciascuno con un Polo Sud e un Polo Nord. La stessa cosa accade se dividiamo in due i “magnetini” ottenuti. Fino ad oggi non si è ancora riusciti ad individuare un oggetto magnetico costituito da un ‘unico polo
Il polo Nord di una calamita respinge il polo Nord di un’altra calamita, mentre attrae il suo Polo Sud
repulsione attrazione Poli uguali si respingono Poli opposti si attraggono
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APPLICAZIONI MEDICHE DI ELETTRICITA’ e MAGNETISMO
Diverse sono le apparecchiature mediche che utilizzano campi elettrici e magnetici 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
Defibrillatore: se alla regolare attività elettrica del cuore subentra un’attività continua e anarchica si ha fibrillazione ventricolare con arresto della circolazione. Se il cuore in fibrillazione è attraversato da una corrente elettrica intensa ma di breve durata, le cellule cardiache vengono simultaneamente depolarizzate e possono riprendere il giusto ritmo.
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FENOMENI ONDULATORI
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ONDA
Oscillazione ma ... di che cosa?
Oscillazione della posizione, velocità, accelerazione di un mezzo materiale
ONDA ELASTICA (esempio: onde del mare, onde sonore, onde lungo una corda vibrante)
Oscillazione dei vettori campo elettrico e magnetico
ONDA ELETTROMAGNETICA si propaga anche nel vuoto
Se l’oscillazione si ripete ad intervalli regolari l’onda è detta periodica
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LUNGHEZZA D’ONDA
Immaginiamo di fotografare una corda in oscillazione
otteniamo un’istantanea a tempo fissato
Lunghezza d’onda: distanza tra due massimi successivi; si indica con λ (“lambda”) e si misura in metri
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PERIODO
Immaginiamo di fissare sempre lo stesso punto di una corda in oscillazione al trascorrere del tempo otteniamo una ripresa a spazio fissato
Periodo: distanza tra due massimi successivi; si indica con T e si misura in secondi
Frequenza: l’inverso del periodo, f = 1/T, si misura in secondi-1
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VELOCITA’ DI PROPAGAZIONE
velocità = spazio/tempo
velocità = lunghezza d’onda/periodo
v = λ/T = λf
Si osservi che lunghezza d’onda e frequenza sono inversamente proporzionali
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ONDE ACUSTICHE
ONDE ACUSTICHE: compressione e rarefazione aria
• Se di frequenza compresa tra 20 Hz e 20000 Hz suono udibile dall’orecchio umano
• Sotto i 20 Hz infrasuoni
• Sopra i 20000 ultrasuoni
Numerose applicazioni mediche, per esempio flussimetria Doppler e ecografia a ultrasuoni
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Δp = Δpo sen(2π ⋅ x λ)
‘onde di pressione’
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Materiale Velocità di propagazione
Aria 344 m/s
Acqua 1480 m/s
Tessuto corporeo 1570 m/s
Legno 3850 m/s
Alluminio 5100 m/s
Vetro 5600 m/s
NOTA: Nel passaggio tra due mezzi con diverse velocità di propagazione, la frequenza dell’onda si mantiene inalterata mentre varia la lunghezza d’onda.
ONDE ACUSTICHE
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Potenza P di una sorgente [W] È l’energia emessa da una sorgente (sonora) nell’unità di tempo
Intensità di un’onda I [W/m2] Rappresenta l'energia trasportata dall’onda che nell'unità di tempo fluisce attraverso una superficie unitaria
L’intensità è inversamente proporzionale al quadrato della distanza dalla sorgente
POTENZA E INTENSITA’ SONORA
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Il log10 di un numero qualsiasi a (base) e’ l’esponente che devo dare a 10 per ottenere a
Il calcolo dei logaritmi si semplifica notevolmente quando la base e’ una potenza di 10
log10 10n = n! Infatti l’esponente che devo dare a 10 per ottenere 10n e’ n!
LOG10
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L’orecchio umano è sensibile ad intensità sonore tra 10-12 W/m2 e 102 W/m2. Tuttavia, la sensazione uditiva non è proporzionale all’intensità sonora, ma approssimativamente al suo logaritmo.
Livello di intensità sonora IL [dB] E` definito come il logaritmo del rapporto fra l’intensità misurata ed una intensità di riferimento (I0):
Per convenzione internazionale: I0 = 10-12 W/m2 (minima intensità percepibile dall’orecchio umano)
10-12 W/m2 a 102 W/m2 → tra 0 e 140 dB
DECIBEL
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Esempi di intensità sonora
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ONDE ELETTROMAGNETICHE
Si può verificare sperimentalmente che un campo elettrico variabile nel tempo produce un campo magnetico un campo magnetico variabile nel tempo produce un campo elettrico
Campo magnetico variabile genera campo elettrico questo campo elettrico è variabile e genererà un campo magnetico questo campo magnetico è variabile e genererà a sua volta un campo elettrico variabile …
Il Risultato è la produzione di un’onda che si propaga nello spazio detta
onda elettromagnetica
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ONDE ELETTROMAGNETICHE
Tutte le onde em nel vuoto si propagano con la stessa velocità, pari alla velocità della luce:
c= 3·108 m/s
La relazione tra lunghezza d’onda frequenza e velocità di propagazione per un’onda elettromagnetica diventa:
c = λ/T = λ·f
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All’ aumentare della lunghezza d’onda diminuiscono la frequenza e l’energia
SPETTRO ELETTROMAGNETICO
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Radiologia TAC Scintigrafia SPECT
Radioterapia
SPETTRO ELETTROMAGNETICO Come vengono utilizzate le onde elettromagnetiche alle varie frequenze?
