Carica positiva e carica negativa

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1 Elettrostatica Fin dal 600 a.c. si erano studiati alcuni effetti prodotti dallo sfregamento di una resina fossile, l ambra (dal cui nome in greco electron deriva il termine elettricità) con alcuni tipi di stoffe. L'ambra dopo essere strofinata, aveva la capacità di attrarre corpi leggeri, come le pagliuzze di fieno o i capelli.

2 Elettrizzazione Un corpo si dice elettrizzato quando ha la capacità di attrarre piccoli corpi. Sperimentalmente si è visto che: due bacchette elettrizzate di ambra si respingono; due bacchette elettrizzate di vetro si respingono; una bacchetta elettrizzata di ambra e una bacchetta elettrizzata di vetro si attraggono.

3 Carica positiva e carica negativa Lo scienziato Benjamin Franklin ( ) spiegò questi comportamenti dei corpi elettrizzati introducendo il concetto di carica elettrica positiva e carica elettrica negativa. Cariche dello stesso segno si respingono mentre quelle di segno opposto si attraggono.

4 Atomo La materia è costituita da molecole e atomi. Un atomo è formato da un nucleo centrale carico positivamente composto da protoni e neutroni. Intorno al nucleo ci sono gli elettroni che si dispongono in opportune orbite. Gli atomi sono neutri (stesso numero di protoni ed elettroni).

5 La carica elettrica Protoni ed elettroni hanno una carica elettrica in 19 modulo pari a e C e viene detta carica elementare e la sua unità di misura C, è il Coulomb. In particolare: Ogni protone ha carica Ogni elettrone ha carica 19 1,60 10 e 1,6 10 e i neutroni non hanno carica elettrica. e C 19 C

6 Massa e diametro degli atomi m e = 9, kg m p = 1, kg m n = 1, kg Il diametro dell atomo è dell ordine di m mentre il diametro del nucleo dell ordine di m.

7 Conduttori Un corpo solido si dice che è un conduttore se gli elettroni delle orbite più esterne degli atomi che lo compongono sono liberi di muoversi al suo interno. Sono conduttori i metalli, l acqua non pura, la Terra e il corpo umano.

8 Isolanti Si dice che un corpo solido è un isolante se gli elettroni delle orbite più esterne sono fortemente legati al nucleo e non sono liberi di muoversi al suo interno. Sono isolanti le materie plastiche, il legno, il vetro, la carta.

9 Elettrizzazione per strofinio Nel fenomeno dell elettrizzazione per strofinio, si ha un passaggio di carica elettrica tra i due corpi che vengono strofinati. La carica non viene né creata né distrutta, ma trasferita da un corpo all altro. Il corpo che ha ceduto elettroni si è elettrizzato positivamente a causa di un eccesso di protoni mentre viceversa il corpo che ha acquistato elettroni viene elettrizzato negativamente a causa di un eccesso di elettroni.

10 Elettrizzazione per contatto Quando si mette a contatto un corpo elettrizzato, ad esempio negativamente, con un corpo neutro, una parte degli elettroni del corpo elettrizzato si spostano sul corpo neutro che, di conseguenza, si elettrizza negativamente. L effetto finale che si noterà è quello di repulsione tra i due corpi.

11 Elettrizzazione per induzione Si ha il fenomeno dell elettrizzazione per induzione quando un corpo carico detto induttore, viene avvicinato a un conduttore neutro detto indotto. L indotto viene elettrizzato a causa di un accumulo di cariche di segno opposto all induttore che vengono attratte nella parte a questo più vicina e cariche dello stesso segno dell induttore nella parte opposta.

12 Polarizzazione La polarizzazione è un fenomeno che riguarda gli isolanti. Quando ad un isolante neutro viene avvicinato un corpo carico ad esempio positivamente, gli atomi dell isolante si deformano perché gli elettroni dell isolante sono attratti dalle cariche positive del corpo, mentre i protoni ne sono respinti. Sulla superficie dell isolante, adiacente al corpo elettrizzato, si forma uno strato di carica negativa e uno strato di carica positiva sul lato opposto. Il corpo isolante inizialmente neutro, ora è elettrizzato e viene attratto dall altro corpo.

13 Elettroscopio L elettroscopio è uno strumento utilizzato per rilevare la presenza di carica elettrica su un corpo.

14 Legge di Coulomb Intorno al 1777, il fisico francese Charles Coulomb ( ), tramite una bilancia di torsione, misurò sperimentalmente la forza di interazione tra due cariche.

15 Caratteristiche della legge di Coulomb Coulomb notò che la forza F è: repulsiva per cariche dello stesso segno; attrattiva per cariche di segno opposto; diretta lungo la congiungente le due cariche; direttamente proporzionale alla quantità delle due cariche q 1 e q 2; inversamente proporzionale al quadrato della distanza r 2 ; dipendente da un coefficiente di proporzionalità k.

16 F 12 è la forza con cui la carica 2 agisce sulla carica 1, F 12 è la forza con cui la carica 1 agisce sulla carica 2 e

17 Caratteristiche della costante k della legge di Coulomb La costante k della legge di Coulomb dipende dal mezzo tra le due cariche. Nel vuoto viene detta permittività elettrica, indicata con k 0 e vale: Nm k0 8, C 0 dove ε 0 viene detta costante dielettrica del vuoto e vale: 2 12 C Nm

18 La legge di Coulomb in un mezzo materiale Se due cariche elettriche si trovano in un mezzo, l intensità della forza di Coulomb è minore di un fattore ε r cioè: F F 1 q q r 2 r 0 r ε r viene detta costante dielettrica relativa.

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20 Principio di sovrapposizione Se si ha un sistema composta da n cariche, sperimentalmente si è dimostrato che la forza totale F tot agente sulla singola carica q i è data dalla somma vettoriale delle forze F i con cui ognuna altra carica interagisce su di essa: n F F F 1 F 2... F tot i i 1 n

21 Il campo elettrico La presenza di una carica elettrica Q g, modifica le proprietà dello spazio circostante, creando un campo di forza E detto campo elettrico. Q g viene detta carica sorgente o generatrice del campo elettrico. Il campo elettrico, generato da una carica Q g, in un punto dello spazio P, viene definito come il rapporto tra la forza che si esercita su una carica di prova q +, F E positiva e infinitesimamente piccola, e la carica q + stessa.

22 Per misurare il campo elettrico E, si procede mettendo la carica di prova q + positiva, detta anche carica esploratrice, nel punto P e si misura la forza F si ottiene: di interazione tra Q g e q +. Dalla definizione E F + q e la sua unità di misura nel SI è il N/C.

23 Campo elettrico generato da una carica puntiforme F E 1 Qq g r 1 Qq g 2 F 4 0 r 1 Q E q q 4 r 0 g 2

24 Campo elettrico di più cariche Quando si ha un sistema composta da n cariche, il campo elettrico risultante in un punto P, è dato dalla somma vettoriale dei campi generati dalle singole cariche, considerando l effetto prodotto da ogni carica, come se fosse presente da sola.

25 n E E E E... E tot i 1 2 n i 1

26 Le linee di forza del campo elettrico Le linee del campo elettrico sono curve ideali utilizzate per visualizzare il campo elettrico ed hanno le seguenti caratteristiche: in ogni punto sono tangenti al vettore campo elettrico; sono uscenti dalle cariche positive ed entranti in quelle negative; la loro densità è direttamente proporzionale all intensità del campo elettrico.

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28 Campo elettrico uniforme Consideriamo sistema costituito da due lamine di materiale conduttore sulle quali sono addensate cariche di segno opposto come in figura. Il campo elettrico tra le due lamine si dice uniforme (costante in ogni punto dello spazio) e le sue linee di forza saranno parallele.

29 Lavoro della forza elettrica Consideriamo una particella, ad esempio positiva, che si trova in un punto A in un campo elettrico uniforme come rappresentato in figura. Il lavoro compiuto dalla forza elettrica per spostare la particella dal punto A al punto B, sarà dato da: L F s qes AB

30 La differenza di potenziale La differenza di potenziale ΔV =V A -V B fra due punti A e B del campo è data dal rapporto tra il lavoro compiuto dalle forze del campo L AB per spostare la carica q da A e B e la carica stessa e la sua unità di misura nel SI è il volt (V). V= AB A B L V V q

31 Differenza di potenziale in un campo uniforme La differenza di potenziale ΔV tra due punti A e B fornisce quindi una misura del dislivello energetico elettrico esistente tra i due punti. Se il campo elettrico è uniforme, si ha: L qes V V V V V Es E A B q q s AB A B

32 I condensatori Il condensatore è un dispositivo elettrico formato da due conduttori detti armature che sono separati da uno strato di materiale isolante detto dielettrico. La carica è distribuita sulla superficie delle armature che si trovano a contatto con il dielettrico.

33 Il condensatore piano Il condensatore piano è formato da due lastre metalliche parallele, elettrizzate con cariche uguali e opposte, poste a una distanza piuttosto piccola rispetto alle loro dimensioni. Il campo elettrico tra le armature del condensatore piano è uniforme e vale: E V d

34 La capacità C di un condensatore, è una grandezza data dal rapporto fra la carica Q immagazzinata sull armatura e la differenza di potenziale presente tra le armature stesse: C Q V L unità di misura della capacità nel SI è il farad (F).

35 Il farad è un unità di misura molto grande quindi comunemente vengono usati i suoi sottomultipli: 1 micro farad = 10-6 F; 1 nano farad = 10-9 F; 1 pico farad = F; Il simbolo del condensatore è:

36 Condensatori in parallelo Due o più condensatori sono collegati in parallelo quando hanno entrambi i capi (armature) in comune e sono sottoposti alla stessa d.d.p. La capacità totale C tot di un sistema composto da n condensatori in parallelo è data da: n C C C C... C tot i 1 2 n i 1

37 Condensatori in serie Due o più condensatori sono collegati in serie quando ciascuno di essi ha un armatura collegata solo con l armatura del condensatore successivo. Un altra caratteristica dei condensatori in serie è che la carica sulle armature dei condensatori è la stessa. n C C C C C tot i 1 i 1 2 n se n 2 C tot CC 1 2 C C 1 2

38 Corrente elettrica La corrente elettrica è un moto ordinato di cariche elettriche. Nei conduttori metallici le cariche in movimento sono gli elettroni. Si definisce intensità di corrente elettrica i, la grandezza data dal rapporto tra la quantità di carica elettrica Q che attraversa una sezione trasversale di un conduttore nell intervallo di tempo Δt: i Q t

39 L unità di misura della corrente elettrica nel SI è l ampere (A). Quando si applica una d.d.p. ai capi di un conduttore metallico, gli elettroni inizieranno a muoversi in verso opposto al campo elettrico ma per convenzione si è scelto come verso della corrente, quello delle cariche positive.

40 Generatore di tensione continua Un generatore di tensione continua è un dispositivo che mantiene ai suoi capi una differenza di potenziale costante. Il suo simbolo elettrico è:

41 Forza elettromotrice La forza elettromotrice f.e.m. di un generatore è la differenza di potenziale tra i capi (poli) del generatore quando il circuito è aperto.

42 Circuiti elettrici Un circuito elettrico è un insieme di dispositivi elementi elettrici collegati continuamente. Di seguito è riportato un circuito elettrico in cui sono presenti due simboli elettrici comuni: una lampadina e un interruttore.

43 Prima legge di Ohm In un conduttore metallico, attraversato da una corrente elettrica I, il rapporto tra la differenza di potenziale ΔV, e la corrente elettrica I che lo attraversa, è una costante caratteristica del conduttore detta resistenza elettrica R.

44 La resistenza elettrica La costante di proporzionalità R della prima legge di Ohm, si chiama resistenza elettrica e si misura in V/A. Questa unità di misura è chiamata ohm (Ω). Si chiama resistore un componente elettrico che segue la prima legge di Ohm..

45 Un conduttore che rispetta la legge di Ohm si dice conduttore ohmico.

46 La seconda legge di Ohm La resistenza R di un filo conduttore è: direttamente proporzionale alla sua lunghezza l; direttamente proporzionale ad una costante di proporzionalità ρ detta resistività che dipende dal particolare materiale con cui è fatto il filo e si misura in Ω m. inversamente proporzionale all area A della sua sezione trasversale; l R A

47 Resistori in serie Si dice che più resistori vengono collegati in serie quando sono attraversati dalla stessa corrente elettrica

48 Resistenza equivalente-serie Se in un circuito elettrico resistivo ci sono più resistenze che collegate in serie, la resistenza equivalente è quella resistenza che, sostituita a tutte le altre, non modifica il valore della corrente I. La resistenza equivalente serie R e,s, è data dalla somma di tutte le resistenze. n R R R R R... R tot e, s i 1 2 n i 1

49 In pratica... Se tra due punti (A e B) di un circuito elettrico resistivo, si hanno n di resistenze, si può sostituire queste n resistenze, con una resistenza equivalente serie Re,s.

50 Resistori in parallelo Due o più resistori sono collegati in parallelo quando hanno entrambi i capi in comune e sono sottoposti quindi alla stessa differenza di potenziale.

51 Resistenza equivalente-parallelo Se in un circuito elettrico resistivo ci sono più resistenze collegate in parallelo, la resistenza equivalente R e,p è quella resistenza che, sostituita a tutte le altre, non modifica il valore della differenza di potenziale V A-B e la corrente totale I.

52 La resistenza equivalente parallelo R e,p di più resistenze collegate in parallelo è data dalla seguente formula: n R R R R R tot i 1 i 1 2 n se n 2 R tot RR 1 2 R R 1 2

53 Nodo, ramo e maglia di un circuito. Un nodo è un punto del circuito in cui confluiscono tre o più rami. Un ramo è un tratto di circuito compreso tra due nodi. Una maglia è un insieme di rami consecutivi (utilizzati ciascuno una volta sola) che formano un circuito chiuso.

54 Primo principio di Kirchhoff: La somma algebrica delle correnti che confluiscono in un nodo è nulla. n i 1 I i 0 dove I 1,I 2,,I n sono le n correnti entranti o uscenti dal nodo. In pratica...in un nodo, la somma delle correnti entranti è uguale alla somma delle correnti uscenti.

55 Secondo principio di Kirchhoff La somma algebrica delle tensioni lungo una maglia è pari a zero. Si può anche dire che lungo una maglia, la somma delle f.e.m. è uguale alla somma delle cadute di tensione. n n n V 0 ( f. e. m.) R I i i i i i 1 i 1 i 1 Dove le V i rappresentano le cadute di potenziale che si incontrano percorrendo la maglia.

56 Strumenti di misura

57 Amperometro: strumento utilizzato per misurare l intensità della corrente elettrica che attraverso circuito che va collegato in serie nel circuito e deve avere una piccola resistenza interna.

58 Voltmetro: strumento utilizzato per misurare la differenza di potenziale tra due punti del circuito e deve avere una resistenza interna molto grande.

59 Potenza elettrica Consideriamo il lavoro L compiuto da un generatore di tensione per portare una carica q da un polo all altro: L q V Se il generatore di tensione, nell intervallo di tempo Δt è attraversato da una corrente elettrica di intensità i, si ha: L q V i t V

60 Si definisce potenza elettrica P, la grandezza data dal rapporto fra il lavoro speso dal generatore nell intervallo di tempo Δt : L P i V t L unità di misura della potenza elettrica nel SI è il watt (W).

61 Effetto Joule Consideriamo un dispositivo elettrico, percorso da una corrente di intensità costante i, e ai cui capi vi è una differenza di potenziale ΔV. L effetto Joule, consiste nella conversione in calore della potenza P= ΔV i. Se il dispositivo elettrico è un resistore, si ha: 2 2 ( V ) P V i Ri R

62 Interpretazione microscopica L effetto Joule viene spiegato a livello microscopico considerando gli urti degli elettroni di conduzione contro gli atomi del conduttore che viene attraversato. In seguito a questi urti, gli elettroni, cedono agli atomi parte della loro energia cinetica, la quale fa aumentare il moto di agitazione termica degli atomi con conseguente aumento di temperatura del conduttore.

63 Applet utili ncirc/vecnodyncirc.html efeld1.html nlp 447app.htm /campo-potenziale/nbodies.html