Elettrostatica. Elettrostatica: branca della fisica che studia i fenomeni elettrici

Transcript

1 Elettostatica Elettostatica: banca della fisica che studia i fenomeni elettici Già nell antica Gecia (V secolo a.c.), si ea notato che l amba stofinata con un panno pesentava delle popietà attattive veso piccoli copi (piume, pagliuzze, fili). L amba uindi si elettizza Il temine "eletticità" deiva popio dalla paola geca "elekton", che significa amba. Esistono due tipi di stati elettici (o caiche): positivo (+), come uello del veto; negativo (-), come uello dell'amba. Caiche dello stesso segno si espingono, mente delle caiche di segno opposto si attaggono. La caica elettica è una gandezza fisica scalae dotata di segno ed è una popietà fondamentale della mateia La caica elettica si conseva in tutte le inteazioni; la consevazione della caica è uno delle leggi fondamentali della fisica nucleae e paticellae. Annichilazione e e Poduzione di coppie e+e- e e NB: Un oggetto si caica peché elettoni vengono tasfeiti ( non ceati) da un copo all alto

2 Caica Elettica La caica elettica è uantizzata => esiste una caica fondamentale ( la caica dell elettone) e tutte le alte caiche sono multipli di uesta caica. Un oggetto che isulta eletticamente neuto contiene un enome numeo di elettoni ma pe ogni elettone è pesente un potone caico positivamente pe cui la caica netta è nulla. L unità di misua della caica nel sistema SI è il coulomb (C) che coisponde alla caica podotta da 6, elettoni. La caica di un elettone è uindi: C 19 elettone e C Peché il Coulomb? Peché 1Coulomb coisponde alla caica elettica taspotata in 1s da un flusso di coente da 1A (unità di misua nel sistema SI della coente che è una delle gandezze fondamentali )

3 Seie tiboelettica Effetto tiboelettico: fenomeno elettico che consiste nel tasfeimento, mediante stofinio, di caiche elettiche ta mateiali divesi (di cui almeno uno isolante) La paola deiva dal geco tibos, che significa appunto stofinio Seie tiboelettica: La tabella mosta una seie di mateiali, elencati in base alla polaità e all'intensità della caica acuisita. Un mateiale in cima alla tabella tende a cedee elettoni (e a caicasi positivamente). Quelli vicini al fondo tendono ad accettae elettoni (e a caicasi negativamente). Massima Caica Positiva aia pelle umana asciutta amianto veto mica capelli umani nylon lana pelliccia piombo seta alluminio cata cotone legno acciaio amba cealacca gomma dua myla vetoesina nichel, ame ottone, agento oo, platino schiuma di polistiene acilico poliestee celluloide olon schiuma di poliuetano polietilene polipopilene PVC (clouo di polivinile) silicio teflon Massima Caica Negativa

4 Isolanti e conduttoi Le caiche possono muovesi all inteno di un oggetto. Tale moto è detto Conduzione elettica, e la facilità con cui le caiche possono muovesi in un mateiale dipende dal mateiale stesso. Classificazione dei mateiali in funzione della facilità con cui le caiche si muovono al loo inteno: Conduttoi: mateiali nei uali le caiche elettiche negative possono muovesi con una ceta facilità (in geneale tutti i metalli sono più o meno buoni conduttoi) Quando tali mateiali si caicano in una ceta zona, anche con una caica piccolissima, essa si distibuisce apidamente su tutta la supeficie del mateiale Isolanti: sostanze nelle uali nessuna caica elettica può muovesi (esempi di isolante sono la bachelite, la ceamica, il veto, la plastica) Quando gli isolanti si caicano eletticamente (ad esempio pe stofinio) la caica imane localizzata in una zona istetta e non si muove veso le alte zone del mateiale Semiconduttoi: sostanze a metà stada ta conduttoi ed isolanti (Silicio e Gemanio) In uesti mateiali la caica si può muovee uasi libeamente sotto deteminate condizioni ( supeamento di un gap di enegia )

5 Conduttoi: Caica pe induzione (a) Pendiamo una sfea conduttice isolata da tea eletticamente neuta sfea conduttice isolata eletticamente neuta (b) Avvicinando alla sfea una bacchetta di bachelite(isolante) caicata negativamente gli elettoni più vicini alla bacchetta veanno espinti veso la egione più lontana della sfea (a causa della epulsione ta caiche di segno uguale) La zona più vicina alla bacchetta avà un eccesso di caiche positive, la zona più lontana un eccesso di caiche negative (c) Mettendo in collegamento la sfea conduttice (dalla pate dell eccesso di elettoni) con la tea mediante un filo conduttoe, una pate degli elettoni, libei di muovesi nel filo, migeanno veso tea e lasceanno la sfea (d) Rimuovendo il filo conduttoe, la sfea è di nuovo isolata. bacchetta di bachelite caicata negativamente (a) (b) (c) Nella sfea si avà un eccesso di cai positiva indotta. (e) Allontanando la bacchetta, la caica elettica positiva si distibuisce unifomemente su tutta la sfea (d) La sfea isulteà caica positivamente NB: Pe caicae un oggetto pe induzione non è necessaio alcun contatto con l oggetto che induce la caica (e)

6 Isolanti: Polaizzazione La Polaizzazione è un pocesso che avviene negli isolanti simile all induzione pe i conduttoi. La polaizzazione è dovuta ad una defomazione elettica degli atomi dell isolante uando vengono messi in possimità di un oggetto caico ( o più pecisamente di un campo elettico come vedemo in seguito) Molecole e atomi hanno caica netta nulla poiché sono composti da uno stesso numeo di caiche positive e negative. Avviciniamo un palloncino caicato positivamente ad un isolante (pe esempio una paete) Le molecole dell isolante si defomano a causa della epulsione ta caiche dello stesso segno, Le molecole si tasfomano in dipoli con il polo positivo nella zone più lontana dal palloncino La polaizzazione genea uno stato di caica negativa sulla supeficie del mateiale isolante.

7 lo stato di caiche negative è più vicino all oggetto caico positivamente delle caiche all alto estemo delle molecole, la foza attattiva saà maggioe della foza epulsiva ( a causa della diffeente distanza ta le caiche in gioco). La foza isultante saà una foza attattiva fa l oggetto caico positivamente e l isolante

8 Legge di Coulomb Le foze elettiche sono alla base della nosta esistenza e della mateia di cui siamo composti e che ci ciconda Le foze elettiche vincolano gli elettoni a imanee negli atomi, gli atomi a fomae le molecole. Gli opposti si attaggono e lo stesso discoso vale pe le caiche.. Caiche di segno opposto si attaggono, caiche dello stesso segno si espingono. Esempi: Gli spematozoi hanno caica positiva gli ovuli negativa ma non appena uno degli spematozoi aggiunge la meta l ovulo invete la sua polaità (spostando ioni di sodi Na + sulla supeficie della membana estena) pe ceae una baiea pe gli alti spematozoi ed impedie la polispemia I globuli ossi che taspotano ossigeno dai polmoni alle cellule del nosto copo hanno la loo supeficie che pesenta una caica netta negativa, ciò contibuisce ad evitae che possano aggegasi Coulomb misuò pe la pima volta le foze elettiche mediante una bilancia a tosione 1 = distanza ta le due palline di sambuco

9 Legge di Coulomb La foza elettostatica ta due caiche è descitta dalla legge di Coulomb: Siano 1 e due caiche poste a distanza l una dall alta. La foza elettostatica ta ueste due caiche ha modulo dato da: Dove k è la costante di Coulomb ed è espessa in N k 1 k N m C o è la costante dielettica del vuoto C /( N m) k 1 1 La foza elettostatica è invesamente popozionale al uadato della distanza fa le due caiche

10 oza di Coulomb le foze sono gandezze vettoiali e la foza coulombiana in paticolae è una foza centale. La foma vettoiale della foza di Coulomb, cioè della foza esecitata dalla caica 1 sulla caica è: ˆ 1 = il vesoe che va da 1 a Se 1 e hanno stesso segno 1 ha lo stesso veso di ˆ 1 => 1 allontana da 1. Se 1 e hanno segno opposto 1 ha veso opposto di => attia veso 1. ˆ 1 La foza esecitata da su 1 si icava diettamente dal tezo pincipio della dinamica: oza esecitata dalla caica 1 sulla caica k ˆ 1 Se un copo esecita una foza su un alto copo, l alto 1 copoeseciteà su di esso una foza uguale in modulo 1 ma di veso opposto: k ˆ ˆ 1 k 1 NB: la foza di Coulomb è valida esattamente solo pe caiche puntifomi

11 Analogia con la foza gavitazionale oza gavitazionale oza elettostatica m m G G 1 1 ˆ N m kg m1 0, m sempe m ˆ 1 se k ˆ 1 k 1 1 k ˆ N m C m 1 ˆ 1 se 1 k ˆ 1

12 oza di Coulomb di un sistema di paticelle Quando sono pesenti più caiche la foza di Coulomb agisce a coppie e la foza isultante su ciascuna paticella è data dalla somma vettoiale delle foze dovute a tutte le alte paticelle n1 Pincipio di sovapposizione. Data una distibuzione di n caiche puntifomi, la foza isultante su ognuna di esse è pai alla somma vettoiale delle foze dovute alle singole caiche.

13 Esempio: Consideiamo te paticelle caiche posizionate come mostato in figua. Calcolae la foza elettostatica netta 1,net agente sulla caica 1 pe opea delle alte 1 = C = C 3 = C R = m 1 1 ˆ 1 1 net ˆj 1 3/4R 1 3 R 3/4R R 3 ˆ 31 ˆ 1 ĵ x x 1 k R ˆ N m C C 31 k N m C R.5 10 m k ˆ 31j 4 38 C m N 4 N Nj ˆ Nj ˆ Nˆ 4 j Nˆj Nj ˆ

14 Concetto di campo di foza La maggio pate delle foze di cui abbiamo espeienza uotidiana si manifestano solo uando due oggetti entano in contatto ta loo. Tuttavia alcune foze, come la foza gavitazionale, la foza elettica e la foza magnetica agiscono a distanza (il sole attae la Tea senza toccala, una caica attae un alta caica senza toccala). Nella concezione Newtoniana le foze sono azioni a distanza che si popagano senza un suppoto mateiale Pe descivee l azione a distanza delle foze conviene intodue il concetto di CAMPO, cioè una egione di spazio in cui è definita una ceta gandezza fisica. Una massa o una caica elettica o alte entità fisiche povocano nello spazio cicostante delle petubazioni che si endono manifeste uando in tale spazio vengono intodotte alte entità fisiche che siano in gado di ecepile. Una egione dello spazio, che sia sede di petubazioni viene detta campo; si pala uindi di campi gavitazionali, campi elettici, ecc. NB: Con il concetto di Campo l inteazione ta entità fisiche pende un significato più geneale. La petubazione potata dalla pesenza dell entità fisica (pe esempio una caica) esiste anche in assenza di una seconda entità che la possa ecepie. Pe spiegae il concetto di campo, pendeemo come esempio l azione della foza elettica.

15 Campo elettico È sempe possibile definie in ogni punto dello spazio una uantità che desciva l azione da pate di una caica Q ( o distibuzione di caica) che una paticella dotata di caica subià in uel punto. La caica di pova, saà soggetta ad una foza misuabile. Possiamo dividee uesta foza pe la caica di pova, immaginata ufficientemente piccola da non petubae la distibuzione oiginale delle caiche Si ottiene una uantità vettoiale, dietta come la foza: E Questa uantità, detta Campo della foza ( campo elettico geneato da Q), non dipende dalla caica di pova usata e descive solo lo spazio intono alla caica Q Il campo elettico E in un punto dello spazio è definito come la foza elettica agente su una caica di pova posta in uel punto diviso la caica della paticella di pova e e Campo elettico