Modulo 8 Elettromagnetismo

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1 Elettromagnetismo 1 Modulo 8 Elettromagnetismo 8.1. Elettrostatica: carica, forza e campo Tensione e corrente elettica 8.3. Conduttori e isolanti 8.4. Circuiti elettrici 8.5. Magnetismo 8.6. Onde elettromagnetiche

2 2 Modulo Elettrostatica: carica, forza e campo La carica elettrica è quella proprietà della materia che permette i fenomeni di attrazione e repulsione in presenza di oggetti che sono stati strofinati. Osservazioni La carica è una grandezza derivata e il suo simbolo è q. La carica è una grandezza scalare e la sua unità di misura della carica elettrica è il coulomb, che ha come simbolo C. La carica si conserva. Esistono due diversi tipi di cariche che chiamiamo positive e negative. In condizioni di equilibrio i corpi hanno lo stesso numero di cariche positive e negative. Legge di Coulomb F =k q 1 q 2 R 2 dove F è la forza che si esercita tra due cariche q1 e q2 poste a una distanza R; k è una costante che è legata alla velocità della luce. Due cariche si segno opposto si attraggono, due cariche dello stesso segno si respingono. (formale) E :=k q R 2 dove E è il campo elettrico, q la cariche che lo crea, R la distanza dalla carica. Osservazioni

3 Elettromagnetismo 3 Il campo elettrico è una grandezza derivata, il suo simbolo è E e la sua unità di misura è N/C. Il campo elettrico è una grandezza vettoriale. Il campo elettrico di una carica positiva si rappresenta con frecce uscenti, quello di una carica negativa con frecce entranti. Campo elettrico generato da un carica positiva Campo elettrico generato da un carica negativa Esempio Rappresenta in modo qualitativo il campo generato da una coppia di cariche positive dello stesso valore.

4 4 Modulo 8 Esempio Rappresenta in modo qualitativo il campo generato da una coppia di cariche negative Esempio Rappresenta in modo qualitativo il campo generato da una coppia di cariche una positiva e una negativa

5 Elettromagnetismo Tensione e corrente (operativa) La tensione si misura con il voltmetro e la sua unità di misura è il volt, che ha come simbolo V. La tensione è una grandezza derivata e il suo simbolo è ΔV. La tensione è una grandezza scalare. (formale) ΔV := L q dove L è il lavoro necessario per spostare una carica q. Valgono le seguenti relazioni: L=q ΔV q= L ΔV

6 6 Modulo 8 Esempio Diagramma della misura della tensione di una batteria (3,7) 8.x. Realizza il diagramma della misura della tensione di una batteria (1200) Calcola la differenza di potenziale generata da un lavoro di 0,2 J su una carica di 8 mc. Calcola il lavoro necessario per spostare una carica di 5 mc in una differenza di potenziale di 5 V. Calcola il valore della carica spostata da un lavoro di 0,4 J in una differenza di potenziale di 20 V.

7 Elettromagnetismo 7 (operativa) L'intensità di corrente si misura con l'amperometrometro e la sua unità di misura è l'ampére, che ha come simbolo A. L'intensità di corrente è una grandezza fondamentale e il suo simbolo è i. L'intensità di corrente è una grandezza scalare. (formale) i := q Δt dove q è la carica che passa in un tempo Dt. Valgono le seguenti relazioni: q=i Δt Δt= q i

8 8 Modulo 8 Esempio Diagramma della misura dell'intensità di corrente di una lampadina (113) 8.x. Realizza il diagramma della misura dell'intensità di corrente di un led (20) Calcola l'intensità di corrente generata da una carica di 15 mc in 5 s. Calcola la carica che passa in 6 s con una intensità di corrente di 150 ma. Calcola il tempo necessario perchã con una corrente di 20 ma passi una carica di 4 mc.

9 Elettromagnetismo 9 Osservazioni Mettendo insieme la definizione di potenza e due formule inverse di tensione e intensità di corrente, troviamo Valgono le seguenti relazioni: P= L Δt = qδv q Δt V = P i =ΔV i i= P V Calcola la potenza assorbita da un ipad che collegato ad una tensione di 5.1 V fa passare una corrente di 2.1 A. Calcola la corrente che passa in un forno da 1.6 kw collegato alla tensione di 220 V. Calcola la tensione necessaria per far passare una corrente di 450 ma in un utilizzatore di 10 W Conduttori e isolanti Legge di Ohm R= ΔV i dove R è la resistenza. Osservazioni La resistenza è una grandezza derivata, il suo simbolo è R e la sua unità di misura è l'ohm, che ha come simbolo W La resistenza è una grandezza scalare. La resistenza è una caratteristica che indica quanto facilmente un corpo può essere attraversato da una corrente. Valgono le seguenti relazioni:

10 10 Modulo 8 ΔV =R i i= ΔV R Un conduttore è un oggetto con una piccola resistenza. Per certi valori di tensione un conduttore è ohmico quando la legge di Ohm vale per tutti quei valori di tensione. Un isolante è un oggetto con una grande resistenza. Osservazioni Calcola la resistenza di un oggetto collegato ad una tensione di 10 V in cui scorre una corrente di 15 ma. Calcola la differenza di potenziale di un oggetto di 2.4 kohm in cui scorre una corrente di 20 ma. Calcola la corrente che passa in un oggetto di 3.2 kohm collegato ad una tensione di 100 V.

11 Elettromagnetismo Circuiti elettrici Un circuito elettrico è un insieme di elementi collegati tra di loto che consentono il passaggio di una corrente elettrica. Gli elementi base di un circuito sono rappresentati dai seguenti Elemento Filo Simbolo Lampadina Batteria Amperometro Voltmetro Resistore Interruttore Due elementi si dicono collegati in serie se sono attraversati dalla stessa intensità di corrente.

12 12 Modulo 8 Due elementi si dicono collegati in parallelo se sono sottoposti alla stessa differenza di potenziale. Disegna un circuito con una batteria, un interruttore, una lampadina, una resistenza. Disegna un circuito con una batteria, un interruttore, due lampadine in serie. Disegna un circuito con una batteria, un interruttore, due resistenze in serie. Disegna un circuito con una batteria, un interruttore, due lampadine in paralello. Disegna un circuito con una batteria, un interruttore, due resistenze in parallelo. Regola 1 Quando due o più resistenze sono collegate in serie si comportano come una sola resistenza equivalente data dalla somma delle singole resistenze. Regola 2 (semplificata) Quando due o più resistenze uguali sono collegate in parallelo si comportano come una sola resistenza equivalente data dal valore di una singola resistenza diviso il numero delle resistenze. Disegna un ramo di circuito in cui ci siano due resistenze di 100 ohm e 200 ohm che si comportino come una resistenza equivalente di 300 ohm. Disegna un ramo di circuito in cui ci siano due resistenze di 100 ohm che si comportino come una resistenza equivalente di 50 ohm. Disegna un ramo di circuito in cui ci siano quattro resistenze di 100 ohm che si comportino come una resistenza equivalente di 250 ohm.

13 Elettromagnetismo Magnetismo Il magnetismo è quella proprietà di alcuni materiali che permette i fenomeni di attrazione di oggetti tipo il ferro. (formale) B := F i l dove B è il campo magnetico, F la forza, i l'intensità di corrente, l la lunghezza del filo. Il campo magnetico è una grandezza derivata e ha come simbolo B. L'unità di misura del campo magnetico è il tesla e ha come simbolo T. Esistono due diverse cariche magnetiche (dette poli) che chiamiamo nord e sud. Poli dello stesso tipo si respingono, poli di tipo opposto si attraggono. l campo generato da un magnete si rappresenta con frecce uscenti dal polo nord e con frecce entranti nel polo sud. Le linee del campo magnetico sono sempre chiuse (non esistono i monopoli magnetici).

14 14 Modulo 8 Valgono le seguenti relazioni: F =Bil i= F B l l= F B i Calcola il campo magnetico che esercita una forza di 0,02 N su un filo di 40 cm percorso da una corrente di 750 ma. Calcola la forza che un campo magnetico di 0,5 T esercita su un filo di 4 cm percorso da una corrente di 65 ma. Calcola la corrente che scorre in filo di 30 cm che immerso in un campo magnetico di 0,6 T è sottoposto ad una forza di 0,5 N. Calcola la lunghezza di un filo immerso in un campo magnetico di 0,8 T, sapendo che quando scorre una corrente di 20 ma è sottoposto ad una forza di 0,005 N. Disegna il campo magnetico generato da due dipoli che vedi in figura Disegna il campo magnetico dei due dipoli che vedi in figura Disegna il campo magnetico dei due dipoli che vedi in figura

15 Elettromagnetismo Onde elettromagnetiche Un'onda è la propagazione di una perturbazione in cui si ha solo trasporto di energia. Per descrivere un'onda si usano grandezze tipiche dei fenomeni periodici (che si ripetono uguali nel tempo) come, ad esempio, un pendolo o una molla che oscillano. Il periodo è il tempo necessario perché un punto dell'onda compia una oscillazione completa e si indica con il simbolo T. La frequenza è il numero di oscillazioni complete che un punto dell'onda compie nell'unità di tempo e si indica con il simbolo f. La lunghezza d'onda è la distanza percorsa dall'onda in un tempo pari al periodo e si indica con il simbolo λ Valgono le seguenti relazioni v= f f = 1 T

16 16 Modulo 8 Un'onda elettromagnetica è una perturbazione in cui variazioni periodiche del campo elettrico si alternano a variazioni periodiche del campo magnetico. Nel vuoto la velocità con cui si propaga un'onda elettromagnetica è uguale a quella della luce ( km/s). Spettro delle onde elettromagnetiche Nome Lunghezza d'onda Applicazioni onde radio (AM) >10 m radio onde radio (TV,FM) 10 m - 10 cm radio (circa 3 m per le radio commerciali) televisione Bluetooth (circa 12 cm) WiFi (circa 13 cm ) microonde 10 cm - 10 mm telefoni cellulari radar forni comunicazioni satellitari infrarosso 10 mm - 0,7 µm ricerca di persone dopo i terremoti ricerca delle dispersioni di calore degli edifici luce visibile 0,75 µm - 0,38 µm esposimetri fotocellule ultravioletto 0,4 µm - 10 nm sterilizzazione degli ambienti sintesi vitamina D polimerizzazione gel per la ricostruzione unghie polimerizzazione resine odontoiatria raggi X 10 nm - 0,01 nm radiografie TAC controllo bagagli raggi gamma < 0,01 nm sterilizzazione di prodotti confezionati ispezioni/controllo qualità

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