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