La fisica al Mazzotti

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1 La fisica al Mazzotti Elettrostatica: Elettrizzazione e Legge di Coulomb 24 1

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3 ELETTROLOGIA 3

4 Elettrologia: è quella parte della fisica che studia i fenomeni e le leggi dell'elettricità e dell elettromagnetismo studia il comportamento delle cariche elettriche quindi degli elettroni sia nel caso in cui questi siano stazionarie (ferme) (Elettrostatica) sia nel caso in cui questi siano in movimento (Elettrodinamica ed Elettromagnetismo) 4

5 L elettrostatica è stata fondamentale per esplorare e comprendere i fenomeni elettrici e i comportamenti delle cariche elettriche Si è sviluppata a partire dal Seicento per tutto il Settecento e oltre In questo ambito di studio troviamo l'opera di grandi scienziati come William Gilbert inglese Charles Coulomb francese Michael Faraday inglese

6 FENOMENI ELETTRICI 6

7 FENOMENI ELETTRICI E CARICHE ELETTRICHE Il termine elettricità deriva dall ambra (in greco elektron ). Infatti l ambra che è una resina fossile ha la particolarità, riscontrata già dagli antichi Greci, che dopo averla strofinata con un panno essa attira a sé piccoli pezzi di materia (per esempio pezzettini di carta); Oggi questo fenomeno lo chiamiamo elettrizzazione. In particolare fu William Gilbert che studiò cosa succede all ambra quando viene strofinata Fu lui che dal nome greco di questo materiale (elecktron) coniò il termine elettrico (electric) 7

8 PROTONI ED ELETTRONI gli atomi sono costituiti da cariche elettriche Le cariche positive sono chiamate protoni Le cariche negative sono chiamate elettroni All interno degli atomi vi sono anche i neutroni che però non hanno carica I protoni ed i neutroni si trovano al centro dell atomo nel cosiddetto nucleo Gli elettroni invece sono localizzati all esterno del nucleo e girano attorno ad esso Protoni ed elettroni hanno carica uguale ma opposta Il numero di protoni e quello degli elettroni in atomo sono uguali quindi gli atomi sono neutri

9 ELETTRONI E LA CARICA ELETTRICA FONDAMENTALE Tutti gli elettroni hanno la stessa carica Non ci sono particelle che abbiano una carica inferiore a quella dell elettrone (almeno finora non sono state trovate!) Le particelle hanno cariche multiple di quella dell elettrone (positive o negative) La carica elettrica elementare è quindi quella dell elettrone (che coincide con quella dell elettrone) e = 1,6022x10-19 C la carica dell elettrone, quindi, è q elettrone = 1,6022x10-19 C L unità di misura della carica elettrica nel S.I. è il coulomb(c) 11

10 UN CORPO CARICO Quindi: un corpo che ha una carica di 1C vuol dire che. Ha acquisito degli elettroni Ha perso elettroni E quanti elettroni ha perso? Ogni elettrone ha carica q elettrone = 1,6022x10-19 C quindi Q (carica totale) = n (numero elettroni) x q elettrone n = Q / q elettrone quindi n = 1 C / 1,6022x10-19 C = 6,24x10 18 (n.elettroni) 12

11 Ogni atomo in condizioni normali è neutro cioè ha ugual numero di protoni ed elettroni Quindi se ci sono (ipotesi) 100 elettroni 100 protoni La carica dovuta agli elettroni è: Carica negativa totale dovuta ai 100 elettroni q (-) = 100 e dove e = 1, C e = carica elementare che è uguale alla carica di un elettrone (in valore assoluto) 14

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13 ISOLANTI E CONDUTTORI 16

14 Materiali isolanti (dielettrici) e conduttori Negli isolanti gli elettroni non si allontanano dagli atomi ai quali appartengono. Nei conduttori gli elettroni possono muoversi liberamente all interno del corpo. 17

15 ELETTRIZZAZIONE 18

16 Elettrizzazione per strofinio: 19

17 Elettrizzazione per contatto: C è il contatto tra i corpi carichi, questo contatto permette una migrazione di cariche elettriche. La situazione permane quando stacco i due corpi. 22

18 Elettrizzazione per induzione: Quando non c è contatto si dice elettrizzazione per induzione, è una elettrizzazione temporanea: cioè quando la carica perturbatrice viene allontanata l effetto finisce e le cariche tornano a rimescolarsi Il corpo torna neutro 23

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20 LA LEGGE DI COULOMB 25

21 Abbiamo visto come elettrizzare l ambra Ma anche altri materiali (come p.e. il vetro) si elettrizzano Allora elettrizziamo una bacchetta di ambra sospesa e ne avviciniamo un altra elettrizzata Se avvicino alla prima bacchetta una seconda bacchetta di ambra elettrizzata vedo che esse divergono Quella libera di muoversi si allontana Evidentemente tra di esse si instaura una forza repulsiva 27

22 Se opero nella stessa maniera ma con bacchette di vetro Vedo che si instaura una analoga forza repulsiva Posso allora dedurre che tra due bacchette elettrizzate nasce sempre una forza repulsiva? Faccio una ulteriore prova.. 28

23 Appendo una bacchetta di ambra elettrizzata Avvicinando una bacchetta di vetro elettrizzata vedo che quella libera di muoversi si avvicina all altra Posso allora dedurre che tra due bacchette elettrizzate nasce una forza attrattiva Deduco, quindi, che tra due corpi carichi nasce una forza che può essere attrattiva oppure repulsiva Questa forza è stata studiata dal 1777 da Charles Augustin de Coulomb il quale nel 1785 ha formulato la legge nota come legge di Coulomb 29

24 LA LEGGE DI COULOMB F è la forza che si instaura tra due corpi carichi Q 1 e Q 2 Tale forza può essere attrattiva o repulsiva Enunciato: Tra due corpi carichi si instaura una forza che può essere attrattiva o repulsiva; tale forza è direttamente proporzionale al prodotto delle cariche ed inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza 31

25 LA LEGGE DI COULOMB k è chiamata costante di Coulomb k non ha un valore costante; esso, infatti, dipende dall ambiente in cui sono immerse le cariche Il valore più grande di k è nel vuoto con k = 9,0!10 9 Nm 2 /C 2 Il valore di k nell aria si può approssimare a quello massimo, cioè a quello nel vuoto 32

26 Cariche di segno opposto

27 Cariche di segno opposto Forze attrattive

28 Cariche dello stesso segno Forze repulsive

29 Cariche dello stesso segno Forze repulsive

30 LA LEGGE DI COULOMB Assomiglia molto a Quali sono le differenze? La proprietà dei corpi che dà luogo alla forza è diversa la carica elettrica per Coulomb, la massa per Newton La forza gravitazionale è sempre attrattiva mentre la forza elettrica può essere attrattiva o repulsiva La costante G (costante di Cavendish) è sempre la stessa in qualunque ambiente si trovino le masse la costante k, invece, dipende molto dall ambiente in cui sono immerse le cariche 43

31 LA LEGGE DI COULOMB Due corpi carichi Q 1 =2C e Q 2 =1C sono posti in aria alla distanza di due metri; determina la forza con cui si attraggono o respingono. La forza è repulsiva perché le cariche sono entrambe positive F = 9,0!10 9 Nm 2 /C 2 x 2C x 1C / 2² m² = 4,5!10 9 N 44

32 William Gilbert (Colchester 24.05,1544 Londra ) è stato un fisico britannico. Iniziò lo studio dell elettricità e del magnetismo. Il suo lavoro più importante fu pubblicato nel 1600: In questa opera descrive numerosi esperimenti eseguiti su di un modello del campo magnetico terrestre ricostruito in laboratorio. Da questi esperimenti conclude che il campo magnetico terrestre è esso stesso originato da un magnete ed è la causa del comportamento delle bussole. Precedentemente si credeva che le bussole puntassero al Nord perché attratte dalla stella Polare o da una grande isola magnetica posta vicino al Polo Nord. Gilbert studiò l elettricità statica valutando il comportamento dell ambra da cui coniò il termine elettrico. 47

33 Charles Augustin de Coulomb (Angouleme 1736 Parigi 1806) Ingénieur du Roy, ingegnere militare Tra il 1785 ed il 1791 pubblicò, presso l'académie des sciences di Parigi, le sue memorie su un argomento che diventava sempre più importante cioè l elettricità. In tali lavori Coulomb spiegò le leggi di attrazione e repulsione tra cariche elettriche cioè la legge di Coulomb 48