Scarica Riassunto di fisica 5 anno e più Dispense in PDF di Fisica solo su Docsity! CAMPO ELETTROSTATICO CHE COSA E’ UNA CARICA ELETTRICA? È una grandezza fisica scalare definita come la quantità di elettricità di cui è dotato un corpo. L’unità di misura nel SI è il coulomb (c),rilevato attraverso un elettroscopio a foglie. In natura si osservano due tipi di carica elettrica: positiva,dello stesso tipo della carica del protone; negativa, dello stesso tipo della carica dell’elettrone. Le cariche elettriche sono le sorgenti delle forze e dei campi elettrici. Cariche dello stesso segno si respingono e cariche di segno opposto si attraggono. CONDUTTORE E ISOLANTE: I materiali possono essere isolanti o conduttori. La differenza sostanziale tra loro sta nella capacità elettrica: mentre un isolante non permette di far passare le cariche elettriche,un conduttore compie il procedimento inverso permettendo il passaggio di elettricità. A livello microscopico questo è causato dalla configurazione elettronica e molecolare degli atomi. - nei conduttori gli elettroni che orbitano intorno ai nuclei sono liberi di muoversi e quindi il corpo è in grado di elettrizzarsi; -negli isolanti gli elettroni sono più legati ai nuclei e si muovono con difficoltà. ELETRIZZAZIONE: è possibile caricare elettricamente un corpo mediante: -strofinio: fenomeno caratteristico di diversi materiali che quando sono strofinati,acquisiscono carica elettrica. (ex. Bacchetta di plastica che attrae pezzetti di carta) -contatto: avviene quando mettiamo a contatto un corpo con un altro elettricamente carico. E’ verificabile attraverso l’elettroscopio,avvicinando una bacchetta di vetro di carica positiva all’asticciola metallica dell’elettroscopio -induzione elettrostatica: avviene una redistribuzione delle cariche già presenti sul corpo,causata dalla presenza,nelle vicinanza,di un altro corpo. LEGGE DI COULOMB: afferma che il modulo della forza di attrazione o di repulsione elettrostatica tra due corpi puntiformi carichi elettricamente è direttamente proporzionale al prodotto delle cariche possedute dai due coripi e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza: ANALOGIE E DIFFERENZE TRA FORZA ELETTRICA E FORZA GRAVITAZIONALE: (ANALOGIE) - entrambe agiscono a distanza tra corpi ben definiti; -entrambe descrescono con il quadrato della distanza;se la distanza raddoppia,la forza diventa un quarto,e così via; -in entrambi i casi la forza che agisce lungo la linea congiungente i due corpi. Nel caso delle cariche elettriche di segno opposto,forza elettrica e forza gravitazionale hanno in comune anche il verso della forza. (DIFFERENZE) -la forza gravitazionale si esercita fra tutti i corpi e dipende dalla loro massa,oltre che dalla distanza,mentre la forza elettrica si esercita solamente fra corpi carichi elettricamente; -la forza gravitazionale è sempre attrattiva,mentre quella elettrica può essere anche repulsiva -la forza elettrica risente del mezzo in cui sono collocate le cariche,mentre quella gravitazionale rimane invariata. ANALOGIE E DIFFERENZE TRA CAMPO ELETTRICO E CAMPO GRAVITAZIONALE: (DIFFERENZE) -il campo gravitazionale è il rapporto tra la forza che agisce su un corpo di massa e la massa stessa,mentre il campo elettrico è il rapporto tra la forza che agisce su di una carica di prova posta nel punto e la carica stessa. -il campo gravitazionale coincide con l’accelerazione di gravità,mentre il campo elettrico coincide con il vettore campo elettrico (ANALOGIE) - il campo gravitazionale non dipende dalla massa del corpo,ma solo dalla massa e il raggio della Terra,nel campo elettrico le cariche elettriche non esercitano forze direttamente su altre cariche,ma modificano lo spazio circostante rendendolo sede di forze elettriche in grado di agire su altre cariche. -entrambi decrescono con il quadrato della distanza,entrambi sono campi radiali: sono diretti lungo la congiungente. CAMPO ELETTRICO: si intende come una modificazione o una perturbazione dello spazio generata dalla presenza di una o più cariche. Secondo la teoria dei campi le cariche non esercitano forze direttamente sulle altre cariche ma modificano lo spazio circostante rendendolo in ogni punto sede di forze elettriche in grado di agire su altre cariche. VETTORE CAMPO ELETTRICO: il vettore campo elettrico in un punto è uguale al rapporto tra la forza elettrica che agisce su una carica di prova,positiva,posta nel punto P,e la carica di prova stessa. L’unità di misura è il newton/coulomb (N/C). f è la forza elettrica CAMPO GENERATO DA UNA CARICA PUNTIFORME Q IN UN PUNTO NEL VUOTO: il modulo del campo creato da una carica puntiforme Q in un punto,nel vuoto è uguale a: con = 8,854 il campo dipende solo dalla carica sorgente e non dalla carica di prova. TEOREMA DI GAUSS: afferma che il flusso del campo elettrico attraverso una superficie chiusa è uguale al rapporto tra la somma algebrica delle cariche contenute all’interno della superficie,diviso per la costante dielettrica del mezzo incui si trovano le cariche. Il risultato ottenuto non dipende dal raggio della sfera,ma dalla carica sorgente del campo e dal mezzo. ENERGIA POTENZIALE ELETTRICA: è il lavoro che compie la forza elettrica conservativa per portare una carica da un punto A a un punto B. L’unità di misura è elettronvolt. POTENZIALE ELETTRICO: si definisce potenziale elettrico il rapporto dell’energia potenziale rilevato da una carica di provaa e il valore della carica di prova. (il potenziale è una quantità scalare e dipende dal valore della carica di prova e dalla posizione della carica.) L’unità di misura è il volt. CONDENSATORI: dispositivo per immagazzinare cariche elettriche,un condensatore piano è costituito da due lamine,dette armature, parallele e molto vicine l’una all’altra. Il valore della costante k è (La stessa dell’esperienza di Ampère). L’unità di misura del campo magnetico è la tesla (T). 1 T PRINCIPIO DI EQUIVALENZA DI AMPERE’: stabilisce una sostanziale equivalenza fra spire e dipoli magnetici: un ago magnetico posto all’interno di un campo magnetico si comporto come una spira,ovvero risente di una coppia di forze che tende a farlo ruotare. FLUSSO DEL CAMPO MAGNETICO/ IL TEOREMA DI GAUSS PER IL MAGNETISMO: Si definisce flusso del campo magnetico B attraverso una superficie S il prodotto scalare tra il vettore B e il versore n, perpendicolare alla superficie,moltiplicando per il valore S della superficie: = Per il flusso del campo magnetico vale il Teorema di Gauss: il flusso del campo magnetico B attraverso una qualsiasi superficie chiusa è sempre uguale a zero: CIRCUITAZIONE DEL CAMPO MAGNETICO/ TEOREMA DI AMPERE’: la circuitazione del campo magnetico lungo una linea chiusa è definita come : dove si intende che la generica linea chiusa sia stata suddivisa in intervalli infinititesimi,in cui il campo B può essere considerato costante. La circuitazione è quindi la somma di tutti i prodotti scalari fra i campi e gli intervalli. Per la circuitazione del campo magnetico vale il Teorema di Amperè: la circuitazione di un qualunque campo magnetico lungo una linea chiusa è uguale alla somma algebrica delle correnti concatenate alla linea stessa: Una corrente si dice concatenate a una linea chiusa se attravera la superficie delimitata dalla linea chiusa. ANALOGIE E DIFFERENZE TTA CAMPO ELETTRICO E CAMPO MAGNETICO: (analogie): - descrive gli effetti di una forza elettrica/magnetica; - due cariche/poli dello stesso segno si respingono,mentre cariche/poli opposte si attragono; -un conduttore/una sbarra di acciaio può essere elettrizato/magnetizzata da uno carico/una calamita (differenze): campo elettrico - con l’elettrizazzione per contatto parte della caica del primo passa al secondo; -ci sono oggetti carichi positivamente e altri negativamente (differenze): campo magnetico -non c’è alcun passaggio di poli magnetici - concetto di individualità dei poli magnetici CAMPO ELETTROMAGNETICO: DIVERSE MODALITA’ CON CUI POSSONO ESSERE REALIZZATE CORRENTI INDOTTE: Ampère, Henry e Faraday progettarono ed eseguirono molti esperimenti per rivelare l’esistenza di eventuali correnti indotte dal campo magnetico in un circuito elettrico. ESPERIMENTO 1: il moto rettilineo uniforme di una spira che si muove con velocità perpendicolare alle linee di un campo magnetico uniforme. (comportamenti: appena la spira comincia a “entrare “ o “uscire” dalla regione in cui si ha il campo magnetico, si rileva nel circuito una corrente indotta; quando la spira esce completamente dal campo magnetico, o entra completamente, la corrente cessa immediatamente) ESPERIMENTO 2: rotazione di una spira con velocità angolare costante all’interno di un campo magnetico uniforme, si genera in essa una corrente alternata, cioè una corrente che inverte il verso di circolazione ogni mezzo giro della spira. (se la spira si ferma, la corrente si interrompe; invertendo il verso di rotazione della spira si inverte anche il verso iniziale della corrente.) ESPERIMENTO 3: moto rettilineo uniforme di un magnete verso o da una spira, proviamo a tener ferma la spira e a muovere un magnete verso di essa si registra immediatamente la presenza di una corrente indotta. Analogamente ,si genera corrente all’interno della spira allontanando il magnete: il verso della corrente è opposto. Gli stessi risultati si ottengono se è la spira a muoversi relativamente al magnete. ESPERIMENTO 4: variazione dell’intensità di corrente in una spira posta vicino a un’altra spira. Un campo magnetico variabile genera una corrente indotta in una spira attraversata dallo stesso campo magnetico. Non appena la corrente nel circuito induttore diventa costante, non si ha più corrente nel circuito indotto. LEGGI DI FARADAY-NEUMANN: afferma che all’interno di un circuito elettrico di generano una forza elettromotrice indotto e una corrente indotto quando varia, per qualunque motivo, il flusso del campo mgnetico attraverso la superficie delimitata dal circuito stesso. La forza elettromotrice indotta è direttamente proporzionale alla velocità di variazione del flusso del campo magnetico concatenato al circuito stesso,ovvero che attraversa la superficie delimitata dal cicuito. Come conseguenza della legge di Faraday, e in base alla prima leggedi Ohm, la corrente indotta in un circuito che ha una resistenza è: LEGGE DI LENZ: afferma che il verso della corrente indotta è tale da generare un campo magnetico che si oppone alla variazione del flusso del campo magnetico esterno che l’ha generata. Per esempio, se il campo esterno sta aumentando, la corrente indotta genera un campo magnetico di verso opposto che ne riduce il flusso; se viceversa il campo esterno sta diminuendo, la corrente indotta gerera un campo magnetico che ha lo stesso verso del campo esterno. La legge di Faraday viene allora modificata aggiungendo un segno “meno” per indicare che la corrente indotta genera un campo magnetico il cui flusso si oppone alla variazione del flusso del campo magnetico esterno che l’ha generata: CARATTERISTICHE DEL CAMPO ELETTRICO INDOTTO: se in una regione dello spazio esiste un campo magnetico variabile, allora si genera un campo elettrico indotto,independentemente dalla presenza o meno di un circuito elettrico all’interno del quale si possa rilevare una corrente indotta. La circuitazione del campo elettrico indotto è uguale alla velocità di variazione del flusso del campo magnetico concatenato. In simbolI: il segno meno va interpretato in base alla legge di Lenz. Questa equazione evidenzia che il campo elettrico indotto non è un campo conservativo, perchè la sua circuitazione lungo una linea chiusa è diversa da zero. L’ALTERNATORE/CORRENTE ALTERNATA: l’alternatore è un dispositivo che permette di generare una corrente alternata, ossia un flusso di cariche elettriche il cui verso cambia periodicamente nel tempo. L’alternatore è il dispositivo complementare del motore elettrico.Infatti, mentre il motore elettrico trasforma l’energia cinetica di rotazione,l’alternatore trasforma l’energia cinetica di rotazione in energia elettrica. La forza elettromotrice alternata indotta dal campo magnetico in una spira che ruota con velocità angolare costante uguale a ῳ ha l’andamento sinusoidale: (dove è il valore massimo della forza elettromotrice) TRASFORMATORE: è un dispositivo che consente di variare la tensione e la corrente alternata che scorre in un conduttore,sfruttando il principio fisico della mutua induzione: si ha mutua induzione tra due circuiti elettrici separati quando la corrente alternata in un circuito induce una forza elettromotrice. Un trasformatore è sostanzialmente formato da un nucleo di ferrro dolce su cui sono avvolti due circuiti o bobine: il primario, in cui viene fatta circolare una corrente alternata,il secondario. CORRENTE DI SPOSTAMENTO: EQUAZIONI DI MAXWELL: pubblicate nel 1873 nella sua opera fondamentale “Trattato sull’elettricità e sul magnetismo” sintetizzano le proprietà dei campi elettrico e magnetico. Le prime due equazioni rappresentano il teorema di Gauss (flusso) per i due campi, elettrico e magnetico, la terza e la quarta descrivono le relazioni tra i due campi attraverso le loro circuitazioni. La prima mette in relazione il campo elettrico con le sue sorgenti (le cariche elettriche) e la quarta mette in relazione il campo magnetico con le sue sorgenti (le correnti elettriche). (le prime due equazioni sono semplicimente l’enunciato del teorema di Gauss per i due campi,la terza è la legge di Faraday-Lenz sull’induzione elettromagnetica e la quarta equazione,relativa alla circuitazione del campo magnetico lungo una linea chiusa, è la legge di Ampere.) È importante osservare che le quattro equzioni presentano due profonde asimmetrie: - la prima è relativa al flusso dei due campi, ciò è dovuto alla mancanza di monopoli magnetici,e quindi all’assenza di sorgenti puntiformi per il campo megnetico;