Fisica Applicata, Area Infermieristica, M. Ruspa ELETTROMAGNETISMO

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1 ELETTROMAGNETISMO

2 FENOMENI ELETTRICI E MAGNETICI L'atmosfera è continuamente sede di fenomeni elettrici e magnetici che vanno dal semplice accumulo di cariche elettrostatiche alle scariche dei fulmini durante i temporali L energia elettrica rappresenta una delle forme d'energia più comunemente e diffusamente utilizzate: basti pensare alla luce artificiale e agli elettrodomestici che sono presenti nelle nostre case

3 FENOMENI ELETTRICI E MAGNETICI Nei sistemi biologici la forza elettrica interviene nella trasmissione degli impulsi nervosi, nella contrazione delle fibre muscolari, nei meccanismi di trasferimento cellulare

4 APPLICAZIONI MEDICHE Diverse sono le apparecchiature mediche che utilizzano campi elettrici, magnetici e elettromagnetici (onde) a scopo diagnostico ECG, EEG osservando le differenze di potenziale tra diverse parti del corpo si traggono informazioni sul funzionamento del cuore e del cervello La risonanza magnetica utilizza campi magnetici e onde radio per produrre immagini tridimensionali degli organi La tomografia assiale computerizzata (Tac) si basa sull'utilizzo dei raggi X per ricostruire immagini tridimensionali grazie al computer Tecniche di imaging come - Scintigrafia (SPECT) - PET sono basate sull uso di onde elettromagnetiche

5 CARICA ELETTRICA Tutto ciò che ha a che fare con l elettricità trae origine da una proprietà della materia chiamata carica elettrica In natura esistono due tipi di carica elettrica: positiva e negativa >> Unita di misura nel S.I. La carica elettrica non si crea ne si distrugge ma si trasferisce da un corpo all altro

6 DOVE SI TROVA LA CARICA ELETTRICA? Nel suo stato normale, un atomo contiene lo stesso numero di protoni e di elettroni, ed è quindi elettricamente neutro Elettroni e nucleo si attraggono con una forza tanto più intensa quanto più sono vicini. Gli elettroni più esterni sono meno fortemente legati e possono in taluni casi allontanarsi dall atomo di origine

7 ELETTRIZZAZIONE DEI CORPI Esempi osservabili nella vita quotidiana: se si fa scorrere vigorosamente un pettine tra i capelli asciutti questi ultimi si elettrizzano se strofiniamo su della lana un oggetto di plastica, esso si carica elettricamente ed attira o respinge piccoli frammenti di carta

8 CARICA ELETTRICA DI UN CORPO Poiché la carica elettrica Q di un corpo rappresenta un eccesso o un difetto di elettroni, Q sarà sempre uguale ad un multiplo intero (positivo o negativo) della carica dell elettrone (q e ) Esercizio q e = C Una bacchetta di vetro strofinata con un panno acquista una carica elettrica Q= C. Quanti elettroni si trasferiscono dal vetro al panno?

9 Na IONI La perdita di uno o più e+ trasforma gli atomi in ioni positivi L acquisizione di uno o più e+ trasforma gli atomi in ioni negativi e- Cl Sodio cede un elettrone al Cloro Si formano così gli ioni Na+ e Cl- Tali ioni si attraggono Si forma così un composto ionico detto Cloruro di sodio (sale da cucina) F E Na+ Cl- Ioni Na + e Cl - si trovano anche nel plasma sanguigno Ioni Na+ e K+ giocano un ruolo fondamentale nella trasmissione dell impulso nervoso

10 - q 1 INTERAZIONE TRA CARICHE - q 2 Oggetti con carica dello stesso segno si respingono - q 1 Oggetti con carica di segno opposto si attraggono +q 1 + q 2 +q 2 Questo vuol dire che oggetti carichi esercitano una forza l uno sull altro >> Unita di misura nel S.I.

11 nel vuoto k = k 0 = FORZA DI COULOMB F Coulomb = k q 1q 2 r 2 [ N] m [ ] 2 [ C] 2 nella materia ε r costante dielettrica relativa Mezzo dielettrico Aria secca 1,0006 Carta comune 2 Gomma 2,2-2,5 Porcellana 4 7 Vetro 6 8 Acqua pura 81,07 Ossido di titanio ε r ε r = 1 nel vuoto In tutti gli altri casi ε r > 1

12 MA F Coulomb = k 0 q 1 q 2 r 2 FORZA DI COULOMB e. la forza che agisce tra due cariche elettriche e molto piu intensa la costante deve essere molto piu grande di G la forza che agisce tra due cariche elettriche e sia attiva sia repulsiva (attiva se le cariche hanno segno opposto, repulsiva se le cariche hanno lo stesso segno)

13 Una massa M (es.terra) genera intorno a se un CAMPO GRAVITAZIONALE CAMPO ELETTRICO Una massa e la carica perturbano lo spazio circostante! M Una distribuzione di cariche Q genera intorno a se un CAMPO ELETTRICO (E) Q q Effetto del campo: una massa m risente una carica q risente di una di una forza attrattiva forza attrattiva/repulsiva

14 E CAMPO ELETTRICO GENERATO DA UNA CARICA PUNTIFORME +Q E Q E non dipende dal valore della carica di prova q, ma solo dalla carica Q che lo genera! >> Unita di misura nel S.I.

15 LINEE DI CAMPO (carica positiva) Un metodo grafico per rappresentare il campo elettrico consiste nell utilizzo di linee orientate dette linee di campo. Le linee di campo generate da una singola carica puntiforme positiva sono semirette uscenti dalla carica sorgente E +Q Campo elettrico ha direzione tangente alle linee di forza e verso concorde a queste ultime. Dove le linee di forza sono più fitte (zona azzurra) il campo elettrico è più inteso; dove sono più rade (zona giallina) il campo elettrico è meno intenso.

16 LINEE DI CAMPO (carica negativa) Le linee di campo generate da una singola carica puntiforme negativa sono semirette entranti nella carica sorgente E Q F +q -q In generale le linee di campo: - partono da cariche positive o dall infinito - terminano in cariche negative o all infinito

17 ESERCIZIO Un nucleo di uranio ha una carica di 92e. Qual è l intesità del campo elettrico da esso generato ad una distanza di m? Che direzione e verso ha il campo elettrico? Quant è l intensità della forza che agisce su un elettrone posto a quella distanza?

18 CAMPO ELETTRICO GENERATO DA PIU CARICHE Se in una regione di spazio sono presenti piu cariche elettriche il campo elettrico totale sara, punto per punto, la somma vettoriale dei campi elettrici generati dalle singole cariche in quel punto.

19 d CONDENSATORI A FACCE PIANE E PARALLELE carica +Q carica -Q Il campo E tra le armature di in condensatore e : - ortogonale alle armature - uniforme

20 ENERIA POTENZIALE ELETTRICA carica +Q carica -Q Anche per la forza elettrica si puo definire un energia potenziale (la forza elettrica e conservativa) L AB = U A - U B Energia potenziale elettrica in B >> Unita di misura nel S.I.

21 DIFFERENZA DI POTENZIALE Potenziale elettrostatico in B: L AB = U A U B = qv A qv B = V B = U B q La differenza di potenziale ΔV tra u punto A e un punto B dello spazio è il lavoro necessario per spostare la carica di 1 C da A a B >> Unita di misura nel S.I.

22 CIRCUITI ELETTRICI Prendiamo due corpi, uno carico positivamente e l altro carico negativamente, tra cui esiste una differenza di potenziale + - V 1 V 2 Collegando i due corpi con un filo di materiale condutture le cariche negative si muoveranno verso il corpo carico positivamente per azzerare la differenza di potenziale + - V 1 V 2 Collocando una lampadina lungo la strada delle cariche è possibile accenderla + - V 1 V 2

23 CIRCUITI ELETTRICI Per mantenere il moto delle cariche serve un generatore di differenza di potenziale (ΔV) Generatore di differenza di potenziale Generatore di differenza di potenziale + - ΔV=V 1 -V 2 Dispositivo elettrico semplice Spesso la differenza di potenziale viene anche chiamata forza elettromotrice (f.e.m.) o tensione

24 CORRENTE ELETTRICA Il moto ordinato di cariche elettriche all interno di un materiale è detto CORRENTE ELETTRICA. I La corrente che scorre all'interno di un corpo non e' qualcosa che viene dall'esterno: sono le cariche elettriche contenute in quel corpo che si muovono >> Unita di misura nel S.I.

25 Generatore di tensione (pila, dinamo,..) PRIMA LEGGE DI OHM + I - ΔV R Resistenza elettrica R (es. lampadina, stufa,...) simbolo >> Unita di misura di R nel S.I.

26 Esercizio Una batteria con una differenza di potenziale di 1.5 V sviluppa una corrente di 0.44 A che attraversa una lampadina per 64 s. Trovare a. la carica che scorre nel circuito b. il lavoro fatto dalla batteria c. la potenza erogata dalla batteria d. la resistenza della lampadina

27 Seconda legge di Ohm Seconda legge di Ohm La resistenza elettrica di un conduttore di sezione S e lunghezza l si calcola come: Unità di misura: R = resistenza elettrica in Ω l = lunghezza del conduttore in m S = sezione del conduttore (in m² - unità pratica mm²) ρ = resistività del conduttore (in Ω m - unità pratica Ω cm) S l resistività: - caratteristica del materiale - dipende dalla temperatura

28 conduttori metallici conduttori elettrolitici ρ (20 C) [ohm cm] argento... rame... alluminio... ferro... mercurio... KCl (C=0.1 osmoli)... liquido interstiziale... siero (25 C)... liquido cerebrospinale (18 C) assoplasma di assone... semiconduttori germanio... silicio... isolanti alcool etilico... acqua bidistillata... membrana di assone... vetro

29 ESERCIZIO Una fibra nervosa puo essere approssimata come un lungo cilindro. Se il suo diametro e 10-5 m e la sua resistivita e 2 Ω m, qual e la resistenza di una fibra lunga 0.3 m? Quale sarebbe la resistenza di un filo di rame con le stesse caratteristiche geometriche?

30 Corrente elettrica nelle soluzioni L acqua pura presenta un elevata resistenza e può essere considerata un isolante. Se in acqua si scioglie un sale o un acido o una base la soluzione risulta conduttrice perché in essa sono presenti cariche libere di muoversi (ioni). Esempio : NaCl in acqua Na + Cl Se si introducono in una soluzione due elettrodi collegati ai poli di un generatore si avrà un passaggio di corrente dovuto al movimento degli ioni: gli ioni positivi (cationi) migreranno verso l elettrodo positivo (catodo), quelli negativi (anioni) verso l elettrodo negativo (anodo).