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ELETTROMAGNETISMO

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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

Nelle giornate secche e ventose l'accumulo di cariche elettrostatiche sugli abiti o sugli oggetti può portare alla creazione di differenze di potenziale il cui effetto si sente sotto forma di piccole correnti

FENOMENI ELETTRICI E MAGNETICI

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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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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

Forze elettriche tengono legati gli elettroni in un atomo e gli atomi in una molecola determinandole proprieta’ chimiche di tutte le sostanze

Elettroni

Nucleo

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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

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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

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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

Un atomo di ossigeno è costituito da un nucleo con 8 protoni e 8 neutroni intorno a cui orbitano 8 elettroni. La carica sua totale è quindi

Q = 8x(1.6 10-19 C) + 8x(-1.6 10-19 C) + 8x0 C = 12.8 10-19 C - 12.8 10-19 C = 0 C

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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 

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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

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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-

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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.

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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

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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

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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!

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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

+q E → +q

–Q

>> Unita’ di misura nel S.I.

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LAB = UA - UB Energia potenziale

elettrica in B

ENERIA POTENZIALE ELETTRICA

Il lavoro della forza elettrostatica non dipende dal percorso seguito → forza conservativa

A

B

E +Q

q

LAB =

>> Unita’ di misura nel S.I.

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€

ΔV = VA - VB = LABq

Differenza di potenziale

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

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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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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

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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

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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