La maggior parte dei fenomeni fisici che si verificano attorno a noi sono dovuti a forze elettromagnetiche:

forze tra atomi e molecole forze chimiche vita ! forze d’attrito forze di resistenza viscosa forze elastiche e di coesione forze legate al magnetismo terrestre luce è onda elettromagnetica

La tecnologia moderna è basata più del 99% sull’ elettromagnetismo !!

Cenni Storici

Tutti i fenomeni che avvengono su scale superiori alle dimensioni del nucleo atomico sono

alcuni natura gravitazionalegrandissima parte natura elettromagnetica

Lezione 1: Elettricita` e legge di Coulomb

La natura elettromagnetica dei fenomeni non appare a prima vista ed è rimasta ignota fino a 2 secoli fa:

forza elettrica: attrattiva e repulsivamateria: cariche negative e positive esattamente uguali

il mondo dell’elettromagnetismo è stato

completamente scoperto dall’indagine scientifica

XVI secolo: prime osservazioni sistematiche di fenomeni

elettrici e magnetici;

…. : Coulomb, Galvani, Volta, Oersted, Ampère, Faraday

1865: equazioni di J.K. Maxwell

teoria completa dell’elettromagnetismo classico

relativisticamente corretto

descrizione del mondo macroscopico

XX secolo: R.P. Feyman, J. Shwinger e Tamanaga elettromagnetismo quantistico:

spiega i fenomeni su scala atomica e inferiore,

interazione tra particelle cariche e campo em.

La carica elettrica

Fatti sperimentali:

esiste carica positiva e negativacariche dello stesso tipo si respingono,

di tipo diverso si attraggono

elettroscopioa foglie:misura relativadella carica elettrica

attrazione repulsione

3 costituenti elementari: protone neutrone elettrone

massa: mp mn 1.67 10-27 kg

me 9.11 10-31 kg 1/1836 mp

dimensioni:

de 4 10-18 m = 4 am (puntiformi)

dp dn 10-15 m = fermi (formati da quark)

dq 0.2 10-18 m

carica elementare (più piccola carica libera):

qe qp = 1.602 10-19 C

qn 0

materia: numero enorme di costituenti elementari carichi globalmente neutra

Struttura elettrica della materia

Misura della Carica Elementare(R. Millikan 1910)

+

-E

q = nqe n = 0,1, 2, 3,…

qe= 1.602 10-19 C

goccioline d’oliocariche per sfregamento

con il nebulizzatore

vaga

FFF StokesAg

6)'(3

4 3

E = 0

'6)'(3

4

)(

3 vagaqE

FFFF StokesAgE

E 0

Conservazione della carica

non è possibile creare o distruggere carica elettrica ( il valore totale deve rimanere invariante)

posso solo fare trasferimenti di cariche tra corpi

annichilazione e- + e+ 2 massa energia (E=mc2) carica conservata

decadimenti radioattivi 238

92U 23490Th + 4

2He

reazioni nucleari 44

20Ca + p 4421Sc + n

La legge di Coulomb(1785)

Bilancia a torsione

lF kM

221

r

qqF

Validita`:cariche puntiformifermenel vuoto

esperimento delicato e difficile: poca precisione ( qualche %); non convince che esponente sia 2 e non 2.01

validità della legge è stabilita con precisioneindirettamente, per le sue conseguenze.

equilibrio dei momenti delle forze

Bilancia di torsione di Coulomb(Accademia delle Scienze francesi, 1785)

Costante di proporzionalità non può essere direttamente determinata dall’esperimento di Coulomb

dipende da :

mezzo in cui sono immerse le caricheunità di misura della carica elettrica

Esempio:vuoto k 1carica unitaria carica che posta a distanza

unitaria da carica uguale la respinge con forza unitaria

carica unitaria dipende da unità meccaniche

1 Coulomb = 1 Ampere 1 sec.

grandezza elettrica indipendente

2

29

0

1094

1

C

Nmk

ur

qqF

221

012 4

1

Forza che q1 esercita su q2

Sperimentalmente: principio di azione e reazione

non è soddisfatto da tutte le forze

(è violato da cariche in movimento)

2112 FF

q1

q2

q1

q2

F21

F12

F21

F12

i

i

i

i

ii u

r

qqFF 2

00 4

1

Principio di sovrapposizione(principio di indipendenza delle forze simultanee)

risultato sperimentale conferma carattere vettoriale

legge di Coulomb

Forza di Coulomb è conservativa

il lavoro fatto per spostare una carica q in presenza di una carica q0

non dipende dal percorso ma solo dal punto iniziale e finale.

210

0

2

12

0

0

2

12

0

0

2

1

11

4

4

4

rr

qq

r

drqq

dsr

uqq

dsFL

r

tutte le forze centrali sono conservative

Confronto Coulomb-Newton

ur

qqFE 2

21

04

1

ur

mmGFG 2

21

attrattiva o repulsiva

2

29

0

1094

1

C

Nmk

solo attrattiva

2

2111067.6kg

NmG

GE FF

392

0

10)4(

1

)(

)(

pe

e

G

E

mm

q

GepF

epF

esempio: forze elettrone-protone

Possibilità di osservare forze gravitazionali:

mescolamento cariche positive e negative esatta equaglianza fra esse

2000102

)106.4(1094

7

229

0

2

N

qFE

per assurdo:qp = 1.000000001 qe

= qe + 10-9qe

Calcolare FE con cui si respingono due sfere di ferro di 1 kg alla distanza di 1 m.

Fe : 26 elettroni

26 protoni A = 55 29 neutroni

1 mole = 55 grNA = 6.02 1023 atomi

in ciascuna sfera:

# atomi = (1000/55) NA = 1.1 1025

# elettroni = 2.8 1026

carica sfera:

q = 2.8 1026 qe 10-9 = 4.6 10-2 C

tonnellate !!

Carica necessaria per sollevare una piramide

33

3

10

3

1mhAV

33

31055

m

kg

dm

kg

V

m

kgVm 9103

5

NgmFG1010

3

5

2

2

04

1

r

qFE

GE FF

CoulombNrQ 5.0103

5)4( 102

0

(in una lampadina: 100Watt 0.5A, 1A = 1C/sec)

100 m

100

m

1 m