ITCG LST L. Einaudi S.Giuseppe Vesuviano (NA) 2010/ Saperi essenziali di Fisica prof. Angelo Vitiello

Transcript

1 ITG LST L. Enaud S.Guseppe esuvano (N / - Sape essenzal d Fsca pof. ngelo tello Elettostatca L elettostatca è la pate della fsca che studa le nteazon fa cache elettche non n movmento (o tascuandone l movmento L elettostatca s manfesta avvcnando ad una sfea metallca, sospesa tamte un suppoto solante, una bacchetta d veto pecedentemente stofnata con un panno d lana. La sfeetta sulta attatta dalla bacchetta, ma, avvenuto l contatto, ne sulta espnta affonto con la foza gavtazonale è che la foza elettca può essee sa attattva e sa epulsva, mente uella gavtazonale è solo attattva. Nel caso gavtazonale la causa dell nteazone è la massa. Nell nteazone elettca c deve essee una causa (caca elettca che s pesent n due fome dvese (caca postva e negatva pe pote spegae sa l attazone che la epulsone sono due stat d elettzzazone della matea dett postvo e negatvo: due cop che possedono lo stesso tpo d elettzzazone (postvo o negatvo s espngono, mente s attaggono se possedono tp d elettzzazone dves (uno postvo e l alto negatvo Isolant e condutto Nell elettzzazone pe stofno ( panno con veto o amba la matea cessa d essee neuta e cache s manfestano ne cop Nel caso del veto, vengono stappat gl eletton degl atom pù esten, che s tasfescono al panno utlzzato. Gl eletton hanno und caca negatva; L amba, nvece, nel pocesso d stofno, stappa eletton al panno assumendo caca negatva L elettzzazone s manfesta solo nella zona soggetta a stofno ne mateal solant o delettc. nche ne metall s può causae elettzzazone pe stofno se campon sono ett da un manco d veto o ebante, ma n uesto caso l elettzzazone s manfesta su tutto l copo. Questo peché nel legame metallco gl eletton sono lbe d muoves. I uesto caso paleemo d condutto. Metod d Elettzzazone elettzzazone pe stofno elettzzazone pe contatto elettzzazone pe nduzone : avvcnando un copo caco ad uno neuto, le cache opposte a uelle del copo caco, pesent nel copo neuto, vengono attatte, mente uelle omologhe vengono espnte. Il copo umano è un buon conduttoe e pe uesto non s possono elettzzae metall tenut n mano, peché la caca veebbe dspesa a tea. onsevazone della caca elettca Lo stato d elettzzazone d un copo vene defnto attbuendogl una caca elettca ndcata comunemente con l smbolo, che può essee : postva e negatva Esste l pncpo d consevazone della caca elettca: nessuna caca elettca può essee ceata o dstutta Un copo neuto, n ealtà, contene cache d opposto segno n msua eguale Il pù pccolo valoe d caca lbea (caca elementae è uella dell elettone. Tutte le cache maggo d uesta sono multpl nte della caca dell elettone e,6 x -9 E -

2 ITG LST L. Enaud S.Guseppe esuvano (N / - Sape essenzal d Fsca pof. ngelo tello aca elettca come gandezza fsca Lo stumento d msua è l elettoscopo L untà d msua è l oulomb Legge d oulomb oulomb, tamte stud con la blanca d tosone e suddvdendo e msuando le cache, tovò che due cache puntfom, e, poste a dstanza, nteagscono con una foza detta lungo la congungente le due cache Tale foza è attattva se e sono d segno opposto, epulsva se dello stesso segno Il modulo della foza è: F K ' La costante K, sulta dpendente dal sstema d msua adottato. Se utlzzamo l S.I., la caca elettca s msua n oulomb (smbolo e la costante K è soltamente ndcata con: 7 9 N m K c 9 dove ε è detta costante delettca del vuoto F ' 4 πε Foza d oulomb ε 8,86 Nell S.I. un oulomb è uella caca che, posta nel vuoto alla dstanza d un meto da una caca eguale, esecta su d essa una foza d 9 x 9 Newton. Se fa le cache e c è un mezzo solante bsogna sosttue a ε la costante delettca del mezzo: ε > ε ' ' F ε dove la costante admensonale ε ε/ε > è detta costante delettca elatva del mezzo N m ε è un ndce della polazzabíltà del delettco a cu s fesce L'acua ha un'alta polazzabltà (e ε 8, dovuta alla polatà della sua molecola; l'aa ha nvece una bassa polazzabltà (ε,6, mente l vuoto non s polazza affatto (ε. La costante delettca elatva del mezzo che sepaa le cache è tanto maggoe uanto pù la foza elettca ta le cache è dotta dalla pesenza del mezzo stesso. La causa d tale duzone è la polazzazone del delettco; n pesenza d un campo elettco le molecole dpola costtuent l delettco s oentano secondo la dezone del campo, ceando un contocampo che ndebolsce le nteazon elettostatche. Maggoe è la dpolatà delle molecole d un delettco, maggoe è la polazzazone e mno sono le foze elettche nel suo nteno. Esstono due tp d polazzazone:, polazzazone pe oentamento (è cò che succede a molecole dpola come l'acua;. polazzazone pe defomazone (è la polazzazone delle molecole apola come l cloo. In entamb cas la otazone delle molecole è dovuta all'nteazone ta l dpolo elettco della molecola (che può essee natuale o ndotto e l campo elettco esteno. Tale nteazone s taduce nell'applcazone d una coppa d foze alla molecola che, uotando, s dspone lungo la dezone del campo elettco. E -

3 ITG LST L. Enaud S.Guseppe esuvano (N / - Sape essenzal d Fsca pof. ngelo tello ampo elettco Un campo elettco è uella egone d spazo nella uale sedono gl effett della caca geneatce del campo, esploato da una caca d test (o esploatce. Una caca elettca (assunta puntfome genea un campo elettco E nel suo ntono tale che, se ponamo nelle vcnanze una caca elettca d test, uest ultma subsce una foza F E. Essendo l campo elettco un campo vettoale è necessao ndvduae tutte le caattestche: la dezone è adale spetto a, l veso è detemnato dal segno della caca, mente l ntenstà è fonta dalla seguente espessone devata dalla legge d oulomb. E F ' E L'untà d msua del campo elettco nel sstema ntenazonale è: newton/ coulomb (oppue volt/meto Il campo elettco n un punto non dpende dal valoe della caca esploatce; dpende solo dalla caca geneatce e dalla poszone del punto nello spazo. Lnee d foza del campo elettco Un metodo pe appesentae l campo elettco è dsegnae le sue lnee d foza, coè lnee oentate e dette concodemente al campo e n ogn punto tangent al vettoe E assocato a uel punto. Lnee d foza del campo elettco geneato da una caca Lnee d foza del campo elettco geneato da due puntfome (postva. cache puntfom d segno opposto. Le lnee d foza del campo elettco sono pe convenzone sempe uscent dalle cache postve ed entant n uelle negatve. Quanto detto vale pe caca (geneatce puntfome. Nel caso n cu l campo elettco è geneato da una molttudne d cache occoe fae la somma vettoale de sngol camp elettc. Enega potenzale - Enega potenzale elettca Una caca n un punto P del campo ha una enega potenzale U p (sa essa gavtazonale o elettca,l cu valoe dpende solo dalla poszone nel campo. U p ' 4 πε E -

4 ITG LST L. Enaud S.Guseppe esuvano (N / - Sape essenzal d Fsca pof. ngelo tello L enega potenzale U p d una caca assocata a un punto P d un campo elettco è l lavoo che bsogna compee conto le foze del campo pe potae la caca dall ínfnìto (coè da lmt del campo al punto P. L enega potenzale U p è postva se la caca geneatce e la caca sono concod, negatva se sono dscod. L untà d msua dell'enega potenzale elettca è l joule. Una caca posta n un campo elettco acusta enega potenzale elettca U p. l vaae del valoe della caca esploatce, l valoe d U p camba, ma l appoto ta U p e mane costante. Il lavoo che le foze del campo compono pe potae una caca postva dal punto al punto è uguale alla dffeenza d enega potenzale ta due punt, cambata d segno. W U ( U U U U W Potenzale elettco È convenzone fes alla caca (d test elettca untaa postva:. S defnsce alloa l Potenzale elettco della caca: S defnsce potenzale elettco n un punto P d un campo elettco l appoto ta l enega potenzale n uel punto e la caca stessa: p U p ' con l conseguente potenzale elettco assocato a un punto a dstanza dalla caca geneatce de campo. L untà d msua del potenzale elettco è l volt (: J/. (Joule/oulomb Supefc eupotenzal Tutt punt d un campo elettco allo stesso enega potenzale appatengono ad una supefce detta supefce eupotenzale elazone ta Potenzale e ampo elettco Defnta una supefce eupotenzale, l campo elettco (che codamo è vettoale, defnto n un punto P d una supefce eupotenzale ha la dezone pependcolae alla supefce e veso che va dal potenzale maggoe a uello mnoe. L ntenstà è data da E s E -4

5 ITG LST L. Enaud S.Guseppe esuvano (N / - Sape essenzal d Fsca pof. ngelo tello dove s è lo spostamento da P nel veso d E e è la dffeenza d potenzale ta gl estem dello spostamento. ampo elettco geneato da una dstbuzone pana nfnta d cache Il campo elettco sultante da tale dstbuzone è n ogn punto pependcolae al pano delle cache e vale: σ E dove σ /S coè appoto ta caca e supefce. ε apactà elettca La popozonaltà fa e vene defnta dalla costante, detta capactà elettca: La capactà s msua n oulomb/olt e l untà d msua è detta Faad (smbolo F. Nel caso della sfea è ovvamente. ondensato Un sstema costtuto da due condutto affaccat molto vcn è detto condensatoe. I due condutto sono dett amatue del condensatoe. Supponamo che sull amatua, a potenzale c sa una caca e sull amatua, a potenzale c sa una caca -. La capactà del condensatoe è alloa: La capactà d un condensatoe con laste d supefce S poste ad una dstanza d è data da: ondensato n see e n paallelo S ε d Pù condensato possono essee collegat fa loo n see o n paallelo. Nella connessone n paallelo le amatue stanno alla stessa d.d.p. e cascun condensatoe mantene una caca dvesa: ;... //... La capactà totale è: n n Nel caso d pù condensato n see sulta (la caca è la stessa su ogn amatua: E -5

6 ITG LST L. Enaud S.Guseppe esuvano (N / - Sape essenzal d Fsca pof. ngelo tello... see n onnessone n paallelo onnessone n see cut elettc La coente elettca è un flusso odnato d cache elettche all nteno d un conduttoe. La sua ntenstà è defnta dalla legge: In base alla dpendenza tempoale d : cost è detta stazonaa (t è detta vaable sn( ωt è detta altenata t L untà d msua della coente è l mpee (smbolo. Dalla defnzone d potemmo de che n un conduttoe passa una coente d un mpee uando n un secondo tansta una caca d un oulomb. Ma n ealtà nel S.I. la coente elettca è pesa come gandezza fondamentale (e l mpee come sua untà d msua e l coulomb può essee d conseguenza defnto dalla: t Essendo la coente elettca un flusso d cache elettche n un conduttoe occoe defne l veso d tale flusso. Pe convenzone s pende l veso d concode con l moto delle cache postve. In un metallo potato lbe d caca sono gl eletton, e und la coente u avà veso opposto al moto effettvo de potato d caca Geneato d f.e.m. sono dspostv, come le ple e gl accumulato che mantengono, tamte eazon chmche, una costante dffeenza d potenzale fa pop elettod. Sono dett sogent o geneato d foza elettomotce. Essenzalmente, a spese della loo enega chmca, taspotano al loo nteno cache postve veso potenzal maggo e cache negatve veso potenzal nfeo, coè al contao del moto spontaneo d tal cache Se colleghamo un conduttoe all esteno della pla, fa l elettodo a potenzale maggoe (polo e uello a potenzale nfeoe (polo - s ha un flusso d cache che ceca d potae le cache postve veso l elettodo negatvo e cache negatve veso l polo postvo. Se l conduttoe esteno è un metallo sono solo gl eletton a muoves. L enega chmca, spesa pe accumulae le cache sugl elettod o, euvalentemente, l enega potenzale elettostatca delle cache sugl elettod, dove va? Se applchamo solo un conduttoe, s tasfoma n enega temca (effetto Joule del conduttoe stesso (fle elettc, stufette, Se applchamo un motoe elettco s tasfoma anche n lavoo E -6

7 ITG LST L. Enaud S.Guseppe esuvano (N / - Sape essenzal d Fsca pof. ngelo tello Legg d Ohm pplchamo agl estem d un conduttoe metallco una d.d.p. tamte un geneatoe d f.e.m. ll nteno del conduttoe fluà una coente. La pma legge d Ohm affema che, mantenendo costant le condzon fsche del conduttoe (essenzalmente la tempeatua, l appoto fa la d.d.p. mposta e la coente che flusce è costante: Tale costante è detta esstenza del conduttoe e s msua n ohm (smbolo Ω. Un conduttoe ha esstenza d Ω uando è pecoso da una coente d un mpee se a suo estem è mposta una d.d.p. d un olt. Ovvamente la esstenza d un conduttoe dpende anche dalle sue dmenson fsche (lunghezza, sezone. ª legge d Ohm La seconda legge d Ohm esplcta la dpendenza della esstenza dalle caattestche geometche del conduttoe nella fomula: l ρ S dove l è la lunghezza del conduttoe, S la sua sezone e è detta esstvtà, coè la esstenza d un conduttoe d sezone e lunghezza untaa. ρ dpende dal mateale d cu è fatto l conduttoe e dalla tempeatua: ρ ρ( βt Il coeffcente β è pessoché dentco pe tutt metall pu ( β 4. ρ è la esstvtà a e dpende dal metallo consdeato. essto L nveso della esstvtà è detta conducbltà. La esstvtà s msua n Ω m e la conducbltà n Ω m. Le legg d Ohm sono valde anche pe condutto elettoltc. Il smbolo utlzzato pe ndcae, n un ccuto, un conduttoe d cu s vuole utlzzae la esstenza (coè un esstoe è: I essto possono essee collegat n see o n paallelo: ollegamento n see: D D D D ( D see see E -7

8 ITG LST L. Enaud S.Guseppe esuvano (N / - Sape essenzal d Fsca pof. ngelo tello E -8 ollegamento n paallelo: // // ( Effetto Joule S è detto che un conduttoe, pecoso da coente, dsspa l enega (potenzale de potato d caca sotto foma d caloe. alcolamo l enega dsspata n funzone de paamet elettc del ccuto Il lavoo l effettuato pe potae una caca dal polo postvo ( al polo negatvo, ( è: ( l Supponendo la coente costante t t / : t t ( ( l Il lavoo effettuato, se ponamo solo un esstoe, è ntegalmente tasfomato n caloe (n Joule. Se voglamo l caloe n caloe basta dvdee pe 4,86. Pù spesso l effetto Joule è uantfcato tamte la potenza dsspata: t dt de P l La potenza s msua n Watt (o olt mpee Le fomule tovate valgono nel caso d coente costante. Se abbamo una coente altenata occoono de coettv