Fenomeni elettrici. Modello dell atomo, carica elettrica, forza tra cariche stazionarie. Campo elettrico e potenziale elettrostatico

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1 Fenomeni elettrici Legge di Coulomb Modello dell atomo, carica elettrica, forza tra cariche stazionarie Campo elettrico e potenziale elettrostatico Campo elettrico, linee di forza, lavoro della forza elettrostatica, potenziale elettrostatico, condensatore Corrente elettrica Corrente continua, resistenza e legge di Ohm, potenza elettrica, correnti alternate, effetti sul corpo umano

2 Modello dell atomo Es: Na nucleo elettroni nucleo La stabilità dell atomo è assicurata da forze attrattive tra cariche elettriche di segno opposto Protone Neutrone Elettrone massa (kg),67 0-7, , 0-3 carica el. +e 0 -e Corpi carichi: negativamente eccesso di elettroni positivamente carenza di elettroni Corpi neutri: equilibrio tra cariche positive e cariche negative

3 Carica elettrica Può essere positiva (+), negativa (-) o neutra (0); Si conserva in ogni trasformazione fisica; È quantizzata, ovvero può essere solo un multiplo intero della carica elementare e (carica dell elettrone) Unità di misura (S.I.) : coulomb (C) e + +,6 0-9 C e - -,6 0-9 C C 6,5 0 8 e

4 Legge di Coulomb Date due cariche puntiformi q e q, 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 F - F q q + r - La forza di Coulomb è F k k k q r q Nel vuoto: o attrattiva per cariche di segno opposto repulsiva per cariche dello stesso segno N m C

5 Legge di Coulomb F k q r q Nel vuoto: k k o 4 π ε o ε o costante dielettrica del vuoto In un mezzo la forza di Coulomb si riduce: k ε o k r 4 π ε o ε r ε r > costante dielettrica relativa H O: ε r 80 k H O k vuoto 80

6 Campo elettrico E +Q +q E Q +q! F k Qq r d ˆ! F E q Intensità di campo elettrico E:!! Unità di misura: F E q Q d newton coulomb N C " k r ˆ (campo elettrico generato da una carica puntiforme) Il campo elettrico E non dipende dal valore della carica esploratrice q, ma solo da Q Dato E F q E

7 Campo elettrico Nel 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 due cariche uguali + +

8 Campo elettrico Linee di forza generate da due cariche di segno opposto

9 Potenziale elettrostatico L q AB +Q B E A q L F AB qe AB Potenziale elettrostatico in B: V B U B /q Il lavoro della forza elettrostatica non dipende dal percorso seguito forza conservativa: L AB U A - U B Energia potenziale elettrica in B UA UB VA - VB : differenza di potenziale q (d.d.p.) Unità di misura: V (volt) J (joule) C (coulomb) La differenza di potenziale è il lavoro necessario per spostare la carica di C da A a B

10 Potenziale elettrostatico L!! AB E d q V A - V B E F q d Il campo elettrico E si misura in N/C oppure V/m L AB q Elettronvolt (unità pratica di energia) ev,6 0-9 C V,6 0-9 J ev è l energia cinetica acquistata da una carica elementare e nell attraversare una differenza di potenziale di V.

11 Condensatore piano + - d carica +Q area A E Si accumulano cariche elettriche sulle due piastre creando un campo elettrico E e una d.d.p. E d isolante tra le due armature carica -Q Capacità elettrica C: C Q Δ V Unità di misura (S.I.): farad (F) coulomb/volt C (µf 0-6 F, nf0-9 F, pf0 - F) Condensatore a facce piane e parallele: ε o εra d

12 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 (0 - F)

13 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 (V A > V B ) Corrente elettrica: I A q Unità di misura: ampère (A) Δt [unità fondamentale del S.I.!] I costante Quantità di carica che si sposta nell unità di tempo I positiva: verso del moto delle cariche positive (da + a -!) + corrente continua I B _

14 Legge di Ohm Generatore di tensione (pila, dinamo,..) + I - R Resistenza elettrica R (es. lampadina, stufa,...) simbolo R I (legge di Ohm) Unità di misura di R: ohm (Ω) volt ampere Resistenza elettrica di un conduttore: l S R ρ l S resistività: - caratteristica del materiale - dipende dalla temperatura

15 classe conduttori metallici conduttori elettrolitici sostanze argento... rame... alluminio... ferro... mercurio... KCl (C0. osmoli)... liquido interstiziale... siero (5 C)... liquido cerebrospinale (8 C) assoplasma di assone... semiconduttori germanio... silicio... isolanti alcool etilico... acqua bidistillata... membrana di assone... vetro... ρ (0 C) [ohm cm]

16 Potenza elettrica + - I? I A Se tra A e B c è una resistenza R: B Lavoro compiuto dalle forze elettriche per portare una carica q da A a B: L AB q Potenza elettrica: (J) LAB q P I Δt Δt P I R I R I Δ L energia fornita dal generatore elettrico viene dissipata in R sotto forma di calore (effetto Joule) V R (W)

17 Esempi Esempio : I V R50 Ω 50 V R 50 Ω R I I R L P I Δt 50 V 50 Ω A A 50 V 50 W Esempio : I V R 0 V P I R I P 00 W I P 489 Ω P 00 W 0,455 A 0 V

18 Resistenze in serie e in parallelo Resistenze in serie: R R - + R R R + R Resistenze in parallelo: R - + R R R + R R

19 Condensatori in serie e in parallelo Condensatori in serie: - + C C C C C + C Condensatori in parallelo: - + C C C C + C C

20 Corrente alternata i i /R R 30 V 0 V Frequenza in Italia/EU: f ν 50 Hz - 30 V s 0 ms ms 30 V max eff 0 V R eff I eff I eff I max P eff I eff

21 Effetti corrente alternata sul corpo umano ν 0 00 Hz Frequenze più pericolose I ~ ma ok 0 ma tetanizzazione dei muscoli 70 ma difficoltà di respirazione ma fibrillazione > 00 ma ustioni e blocco cardiorespiratorio R Ω (bagn.) (asciutto) 0 V I 0 ma! R 000 Ω

22 La magnetite (Fe 3 O 4 ) si orienta sempre nella direzione Nord-Sud Fenomeni magnetici Nord (N) Estremi omonimi si respingono Estremi eteronimi si attraggono Sud (S) Effetti magnetici possono essere indotti su oggetti non magnetizzati Non sono mai stati osservati poli magnetici separati (monopoli)!! campo induzione magnetica B

23 Correnti elettriche danno luogo a campi magnetici e variazioni del campo magnetico danno luogo a correnti elettriche S N Elettromagnetismo Onde elettromagnetiche Unità di misura dell induzione magnetica B (S.I.): T (tesla) N/A m