Ripasso Fisica Maturità, Appunti di Fisica

Scarica Ripasso Fisica Maturità e più Appunti in PDF di Fisica solo su Docsity! 1. LA CARICA ELETTRICA I tipi di carica e come interagiscono fra loro. • Esistono due tipi di carica elettrica: positiva e negativa. • Due corpi che hanno carica dello stesso segno si respingono; due corpi che hanno carica di segno opposto si attraggono. Quando è che un corpo viene detto “neutro”? • Un corpo privo di carica è detto elettricamente neutro. Quando è che un corpo viene detto “elettrizzato”? • Un corpo viene detto elettrizzato quando: - È in grado di attirare piccoli oggetti leggeri - Le cariche di un tipo sono in numero maggiore rispetto a quelle dell’altro tipo. Poiché le cariche con maggiore mobilità sono gli elettroni più esterni, la carica di un corpo è determinata da un eccesso (-) o da un difetto (+) di elettroni. Che cos’è un Coulomb? Quanto vale? • Coulomb è l‘unità di misura della carica secondo il SI. • Una quantità di carica pari a 1C corrisponde alla carica complessiva di 6,2418x1018 elettroni, valore dato dall’inverso della carica elementare e. Gli atomi e la carica elettrica. Quanto vale Q degli elettroni? • Gli atomi sono costituiti da cariche elettrice positive (protoni) nel nucleo e da cariche elettriche negative (elettroni) che occupano lo spazio circostante. Protoni e elettroni hanno carica uguale e opposta e, siccome ogni atomo è elettricamente neutro, il numero degli uni è esattamente uguale al numero degli altri. • Tutte le particelle conosciute hanno cariche multiple (con il segno più o il segno meno) di quella dell’elettrone ! valore assoluto della carica dell’elettrone, carica elettrica elementare e=1,6022x10-19C. Che cosa si intende con materiali conduttori e materiali isolanti? • ISOLANTI = Tutte le cariche/gli elettroni occupano posizioni fisse e non si spostano dall’atomo. • CONDUTTORI = Alcune cariche/elettroni possono muoversi liberamente all’interno del corpo. PROGRAMMA DI FISICA 2. TIPI DI ELETTRIZZAZIONE Che cos’è l’elettrizzazione? - L’elettrizzazione è un trasferimento di elettroni, senza creazione o distruzione di cariche. - Principio di conservazione della carica elettrica: in un sistema chiuso la somma algebrica delle cariche positive e delle cariche negative non cambia nel tempo. Quanti tipi di elettrizzazione conosci? 1.L’elettrizzazione per STROFINIO - Un corpo inizialmente scarico può essere elettrizzato mediante lo sfregamento con un altro corpo, in seguito al quale tra essi avviene un passaggio di cariche elettriche. - I corpi elettrizzabili per strofinio sono soprattutto gli isolanti (plastica/vetro). - Esempio: strofinando una bacchetta di plastica con un panno di lana avviene un passaggio di elettroni dalla lana alla plastica, che risulta carica negativamente. 2.L’elettrizzazione per CONTATTO - Un corpo inizialmente scarico può essere elettrizzato per contatto con un corpo carico che trasferisce su di esso parte della sua carica. - Quindi i corpi elettrizzabili per contatto sono generalmente costituiti da materiali conduttori (metallo/corpo), nei quali gli elettroni sono liberi di muoversi e di passare da un corpo all’altro. 3.L’elettrizzazione per INDUZIONE - Un corpo inizialmente scarico può acquistare proprietà elettriche per induzione elettrostatica grazie alla vicinanza con un altro corpo carico.Tra i due corpi non avviene contatto e la modifica avvenuta all’interno del corpo inizialmente scarico scompare quando il corpo carico viene allontanato. ——> Esempio = può avvenire con l’elettroscopio ——> In un conduttore ! l’induzione elettrostatica è una distribuzione non omogenea di cariche all’interno di un conduttore neutro, causata dalla vicinanza con un corpo carico. Se un conduttore è formato da due parti, possiamo elettrizzarlo per induzione e poi separare le due parti, che risultano elettrizzate con cariche uguali e opposte. Che cos’è l’elettroscopio? ELETTROSCOPIO È uno strumento che serve per sapere se un oggetto è carico. Fatto da un’asta metallica verticale, in alto sfera conduttrice, e giù 2 foglie d’oro che si respingono poiché se carica allora hanno lo stesso segno. Un oggetto è carico se, messo a contatto con l’elettroscopio, fa divaricare le foglie. Angolo maggiore quanto maggiore è l’elettrizzazione trasferita. Se tocchiamo il pomello le cariche vanno al nostro corpo scaricando l’elettroscopio. Intensità tramite scala graduata per misurare gli angoli delle foglie 4. CAMPO ELETTRICO DEFINIZIONE Il vettore campo elettrico E! è definito in ogni punto come il rapporto tra la forza F! esercitata su una carica di prova q+ posta in quel punto e la carica stessa. ———> Stessa direzione e verso della FE SPIEGAZIONE Considerando una carica Q e una carica di prova q+, quest’ultima posta in un punto P dello spazio risente della presenza della carica Q: è soggetta alla forza di Coulomb che la carica Q esercita su di essa. A ogni carica elettrica Q è associato un campo elettrico, cioè una modificazione delle proprietà dello spazio, tale che una carica di prova q avverte, punto per punto, una forza elettrica. Campo elettrostatico ! se il campo elettrico non cambia nel tempo punto per punto LINEE DI FORZA Il campo elettrico è rappresentato tramite le linee di forza: - la direzione del campo elettrico è, punto per punto, tangente alle linee di forza in quel punto - il verso del campo elettrico è quello per cui le linee di forza escono dalle cariche positive ed entrano nelle cariche negative - la densità delle linee di forza rappresenta l’intensità del campo elettrico. E generato da CARICHE PUNTIFORMI Una carica puntiforme Q+>0, posta nel vuoto, determina la presenza di un campo elettrico E che può essere rilevato ponendo in diversi punti intorno a Q+ una carica di prova q+. Secondo la legge di Coulomb, sulla carica di prova verrà esercitata una forza repulsiva. Combinando la legge di Coulomb con la definizione di campo elettrico (E=F/q+), otteniamo il campo elettrico generato da una carica puntiforme E generato da PIÙ CARICHE I diversi campi elettrici generati da più cariche presenti in una regione di spazio si sommano in ciascun punto come grandezze vettoriali ! in un dipolo elettrico (due cariche puntiformi di uguale intensità e segno opposto) si ha un campo elettrico UNIFORME (un campo elettrico è uniforme a forza elettrica che agisce sulla carica di prova ha la stessa direzione, la stessa intensità e lo stesso verso in ogni punto dello spazio. Le linee di forza di un campo elettrico uniforme sono parallele); fra due cariche puntiformi uguali il campo elettrico è NULLO. FORMULE INVERSE : E = Q/ƐS 5.ENERGIA POTENZIALE = (analoga Fe) • L’energia potenziale vi è solo nelle forze conservative • Una forza si definisce conservativa se il lavoro compiuto nello spostamento dalla posizione iniziale A alla posizione finale B dipende solo dagli estremi A e B e non dal percorso seguito. • Il lavoro della forza elettrica non dipende dal percorso effettuato per andare da A e B, ma dipende dal “dislivello elettronico” tra i due punti. La forza elettrica è conservativa. L’energia potenziale elettrica, nel caso in cui due cariche siano poste a una distanza tale che la forza di Coulomb esercitata tra esse è quasi nulla, è • Se Q>0, una carica q+ viene respinta e l’energia potenziale decresce all’aumentare di r. • Se Q<0, una carica q+ viene attratta e l’energia potenziale cresce all’aumentare di r. • A una distanza infinita l’energia potenziale è NULLA in entrambi i casi. • PIU’ CARICHE = l’energia potenziale del sistema è data dalla somma delle U che si ottengono scegliendo le cariche a coppia in tutti i modi possibili 6. POTENZIALE ELETTRICO = (analogo E) Il potenziale elettrico V in un punto dello spazio è uguale al rapporto fra l’energia potenziale elettrica U nello stesso punto e la carica di prova q • L’unità di misura è il joule su coulomb (J/C), detto anche VOLT (V). • V totale = V1+V2+V3… IL POTENZIALE DI UNA CARICA PUNTIFORME Una carica puntiforme Q genera un campo elettrico (E=k·Q/r2) e, in ogni punto dello spazio, una carica di prova q ha un’energia potenziale elettrica (U=k·Qq/ r). Dalla formula del potenziale elettrico (V=U/q) ricaviamo i potenziale di una carica elettrica puntiforme Q a una distanza r da essa. DIFFERENZA DI POTENZIALE ΔV = VB - VA = (UB/q - UA/q) ΔU= - Wa!b - Wa!b= qΔV = (UB-UA)/q = ΔU/q Se ΔV negativo il moto delle cariche + va da punti a V > a <; se - il contrario. Se ΔV positivo inv. U = kQq/r ΔU= - Wa!b Wa!b=Ua-Ub Wa!b=-ΔU ΔV= ΔU/q ΔV= -Wa!b/q ΔU = qΔV SUPERFICI EQUIPOTENZIALI • Come il E rappresentanti by linee di forza • È l’insieme di tutti i punti in cui il potenziale elettrico assume lo stesso valore • Essa è in ogni punto perpendicolare alla linea di forza del campo E passante per quel punto. • Quando una carica elettrica q si muove su una di queste superfici, il lavoro della forza elettrica è NULLO. DEDUZIONE DEL E dal POTENZIALE V Se si sposta una carica q da A a B allora Wa!b = Fs per [E = F/q] Wa!b = qEΔs Ma so che Wa!b= - qΔV. - qΔV = qEΔs 7. VETTORE SUPERFICIE - portata fluidi - Ha direzione PERPENDICOLARE alla superficie - Modulo pari all’AREA S - Verso arbitrario 8. FLUSSO DEL CAMPO ELETTRICO DEFINIZIONE Il flusso Φ(E!) di un campo elettrico uniforme E! attraverso la superficie piana orientata S! è dato dal prodotto fra E ed S • Unità di misura = (N·m2/C). • DATA 1 SUP. PIANA il flusso del E attraverso S è definito da quella relazione • DATA 1 SUP. NON PIANA bisogna suddividere la superficie in n.parti così piccole da soddisfare la definizione = occorre fare la Sommatoria = n in alto, i = 1; deltaF = EiDeltaSi 9. TEOREMA DI GAUSS DEFINIZIONE Stabilisce che il flusso del campo elettrico attraverso una superficie chiusa è uguale al rapporto fra carica totale all’interno della superficie e la costante dielettrica del mezzo. Il suo valore è NULLO se la superficie non contiene cariche al suo interno ! il flusso del campo elettrico attraverso una superficie chiusa è determinato dalla carica totale racchiusa dalla superficie. DIMOSTRAZIONE ——> E generato da una singola Q positiva | Superficie gaussiana chiusa SFERA ——> Una superficie non piana dovremmo suddividerla, ma avendo tutti i vettori S la condizione tale x cui sono perpendicolari alla superficie e il vettore E ha la stessa direzione S ALLORA E= - ΔV/Δs q = ΔV/Δt q = sV Φ(E!) = E!S! Φ(E!) = EScosϴ 13. CORRENTE ELETTRICA Una corrente elettrica è un moto ordinato di cariche elettriche, dovuto alla presenza di una differenza di potenziale tra gli elettrodi di una pila. • INTENSITA’ DI CORRENTE L’intensità di corrente elettrica i è il rapporto tra la quantità di carica ΔQ che attraversa una sezione del conduttore in un certo intervallo di tempo Δt e l’intervallo di tempo stesso: Quando l’intensità della corrente non cambia nel tempo ! corrente continua. Si misura con l’amperometro, in ampere (A) ! 1A=1C/1s • VERSO DELLA CORRENTE È quello in cui si muovono le cariche positive, da punti con potenziale > a punti con V • GENERATORE DI TENSIONE Dispositivo in grado di mantenere una differenza di potenziale costante, fondamentale per ottenere una corrente elettrica controllabile e misurabile. • CIRCUITI ELETTRICI Un insieme di conduttori connessi in modo continuo e collegati a un generatore, in modo da formare una struttura lineare chiusa, nella quale vi sia un passaggio di corrente con continuità. Il circuito è chiuso e al suo interno vi è un passaggio di corrente, se il collegamento tra i suoi elementi è continuo; se il collegamento presenta interruzioni, il circuito è aperto e non vi è passaggio di corrente elettrica. L’interruttore è il dispositivo che consente di aprire e chiudere un circuito. Un RESISTORE è un componente del circuito che segue la prima legge di Ohm. PRIMA LEGGE OHM La differenza di potenziale ΔV applicata ai capi di un conduttore ohmico è direttamente proporzionale all’intensità di corrente i che circola nel conduttore. R è una costante detta resistenza elettrica, la cui unità di misura è l’ohm: 1Ω=1V/1 A La RESISTENZA R è una misura di quanto il conduttore si opponga al passaggio di corrente. SECONDA LEGGE OHM La resistenza elettrica R di un filo conduttore è direttamente proporzionale alla sua lunghezza l e inversamente proporzionale all’area della sua sezione trasversale S. La costante è la resistività specifica, che si misura in ohm per metro (Ωm) ed è caratteristica di ogni materiale. i=ΔQ/Δt i=ΔV/R • RESISTORI IN SERIE Due elementi conduttori di un circuito sono collegati in serie quando al loro interno circola corrente elettrica di uguale intensità (se sono posti uno dietro l’altro consecutivamente). = La corrente che passa attraverso ciascun utilizzatore è sempre la stessa Ai capi dei resistori collegati in serie vi sono differenze di potenziale diverse. Il circuito con i resistori in serie (con resistenze R1 e R2) è equivalente a un circuito in cui al posto della serie c’è un resistore di resistenza Re=R1+R2. La resistenza equivalente di n resistori collegati in serie è uguale alla somma delle resistenze dei singoli resistori ! Re > R1 e R2 • RESISTORI IN PARALLELO Due elementi conduttori di un circuito sono collegati in parallelo quando ai loro capi si misura la stessa differenza di potenziale (se hanno le estremità connesse a due a due e tra esse). Ai capi dei resistori di resistenze R1 e R2 vi è la stessa differenza di potenziale, ma al loro interno circolano correnti di intensità diverse.ù Sostituendo ai due resistori collegati in parallelo un unico resistore di resistenza equivalente Re, la legge di Ohm si scrive: i = ΔV/Re. Di conseguenza, seguendo la prima legge di Kirchhoff (i=i1+i2), 1/Re = 1/R1 + 1/R2. L’inverso della resistenza equivalente di n resistori collegati in parallelo è uguale alla somma degli inversi delle resistenze dei singoli resistori ! Re < R1 E R2 • POTENZA DISSIPATA 1) La potenza P uguale al lavoro compiuto contro le forze del campo elettrico su una carica q nell’unità di tempo. P = W/Δt 2) La potenza dissipata è la rapidità con cui l’energia elettrica si trasforma in energia interna Essendo W = qΔV ! P = qΔV/Δt e siccome i=q/Δt ! P = ΔVi = i i R = Ri2 3) La potenza si misura in Watt. Re=R1+R2 IT=I1=I2 ΔV1≠ΔV2 I1≠I2 ΔVT=ΔV1=ΔV2 Re=R1R2 / R1+R2 ΔVrisultante = ΔV1=ΔV2 = IT * R risultante P = Ri2 • EFFETTO JOULE È la trasformazione di energia in calore. Alcuni oggetti hanno dei resistori interni che se percossi da energia elettrica, l’energia interna viene dissipata sotto forma di calore che serve per scaldare l’aria, l’acqua, cibo… W = PΔt = Ri2Δt ma è anche uguale W = cmΔt L’energia ceduta dalla corrente è uguale all’energia assorbita dall’acqua. • FORZA ELETTROMOTRICE La forza elettromotrice di un generatore è il rapporto tra il lavoro L compiuto per spostare una carica q tra i suoi poli e la carica q stessa. La forza elettromotrice è la grandezza che quantifica la differenza di potenziale che è in grado di mantenere un generatore ai capi di un conduttore. L’unità di misura è il joule su coulomb, cioè il volt. Generatore ideale = la fem è = alla ddp. Generatore reale (ideale collegato in serie a 1 opportuna resistenza interna) = la fem è = alla max tensione che si può avere fra i 2 estremi. Se circola corrente ΔV<fem, se non eroga corrente ΔV=fem. Resistenza interna = misura l’impedimento al moto delle cariche che si ha all’interno del generatore i = fem/R+r ΔV= R*fem/R+r PRIMA LEGGE DI KIRCHHOFF: la somma delle intensità delle correnti che entrano in un nodo (punto in cui convergono tre o più conduttori in un circuito) è uguale alla somma delle correnti che escono dal nodo. SECONDA LEGGE DI KIRCHHOFF: la somma algebrica delle differenze di potenziale tra gli estremi dei diversi lati che costituiscono la maglia (tratto chiuso di un circuito, tra due nodi) è nulla. ΔV=0 • CONDENSATORI IN SERIE 1/Ceq = 1/C1 + 1/C2 = V1/Q + V2/Q • CONDENSATORI IN PARALLELO Ceq = C1+C2 = Q1/V + Q2/V IQ1≠Q2 ΔV1=ΔV2 Q1=Q2 ΔV1≠ΔV2 ! B inclinato di un angolo α rispetto al filo: forza minore ! B // al filo: forza nulla • Legge di Biot-Savart ! L’intensità del B a distanza d dal filo percorso da corrente i è uguale a ! DIMOSTRAZIONE: 1.Consideriamo un filo percorso da corrente i che genera un campo magnetico 2.Posto un secondo filo percorso da corrente i1 3.B = F/i1l ! /())' "#(""' 2$/#' 2(- )+ )(**( %& :,2(-( ! 4.;&"#(,+ .-+ < = &>)7 ( < =?@&&ABπ%C) (% ("0( )+ #("& • Spira di corrente ! Filo percorso da corrente che ha la forma di una spira circolare di raggio r ! ha le stesse linee di campo del magnete ! le dita si muovono nella direzione del nord del campo magnetico ! Campo magnetico al centro della spira ! Campo magnetico generato da una spira a distanza y ! Due spire con lo stesso verso si attraggono, diverso si respingono •Solenoide ! B all’esterno è quasi nullo (=0 nel circuito ideale) ! B all’interno molto intenso dato dalla relazione: ! linee di forza dense e parallele // all’interno •Forza di Lorentz ! Analizza il movimento di una carica all’interno del B ! Una carica q in B subisce una forza F di origine magnetica quando q si muove con velocità v con componente perpendicolare alla direzione del campo magnetico ! Parti da F = i l B sinα; lasciala stare e fai un sistema con v = ∆s/∆t (dove ∆s=l) e I=Q/∆t; trovo dalla prima ∆t e sostituisco alla seconda; sostituisco la I alla I della F iniziale e ottieni la formula: ! F = 0 quando v è // parallela a B ! Tutte le cariche hanno velocità v = velocità di deriva ! La forza esercitata su una carica negativa ha verso opposto di quella esercitata su una carica positiva ! Intensità B = F/qvsinalfa F = q v B sinα B = F / q vs inα • Moto di Q in un campo magnetico uniforme (con v//B) ! Se Q entra parallela // a B continua con il moto uniforme Se Q entra perpendicolare = moto circolare