I FENOMENI ELETTRICI CLASSE DELLE LAUREE TRIENNALI DELLE PROFESSIONI SANITARIE DELLA RIABILITAZIONE

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1 CLASSE DELLE LAUREE TRIENNALI DELLE PROFESSIONI SANITARIE DELLA RIABILITAZIONE I FENOMENI ELETTRICI CARICA ELETTRICA FORZA DI COULOMB CAMPO ELETTRICO E POTENZIALE ELETTRICO CORRENTE E LEGGI DI OHM RESISTENZA E RESISTIVITA EFFETTO TERMICO DELLA CORRENTE ELETTROLISI A. A Fabrizio Boffelli I fenomeni elettrici pag.1

2 Carica elettrica Costituzione dell atomo: nucleo con protoni (carica +e) e neutroni (carica 0) elettroni (carica -e) orbitanti attorno al nucleo Carica elettrica = proprietà intrinseca della materia grandezza fisica fondamentale ( v.corrente elettrica) unità di misura: coulomb (C) Proprietà fondamentali: 3 stati di carica: positiva, negativa, neutra sempre multipla di ±e = C carica elementare si conserva (non si crea e non si distrugge, ma si separa/unisce) F. Ballarini I fenomeni Fisica elettrici Applicata pag.2 2

3 Forza di Coulomb Tra due corpi di carica q 1 e q 2, posti a distanza r, si esercita sempre una forza: -diretta lungo la congiungente tra i due corpi -attrattiva per cariche di segno opposto, repulsiva per cariche dello stesso segno -dir. prop. alle cariche e inv. prop. al quadrato della loro distanza: LEGGE DI COULOMB q 1 r q 2 F = ± K q 1 q 2 r r 2 r attrazione tra cariche di segno opposto repulsione tra cariche dello stesso segno (K = N m 2 /C 2 costante di Coulomb nel vuoto) ANALOGIA CON LA FORZA GRAVITAZIONALE F. Ballarini I fenomeni Fisica elettrici Applicata pag.3 3

4 Forza coulombiana e forza gravitazionale Analogie tra forza coulombiana e forza gravitazionale: - dirette lungo la congiungente tra i due corpi - proporzionali alle due cariche / alle due masse - inversamente proporzionali al quadrato della loro distanza Differenze tra forza coulombiana e forza gravitazionale: COULOMBIANA GRAVITAZIONALE attrattiva o repulsiva sempre attrattiva K = molto grande G = molto piccola Tra protone e elettrone nell atomo (r=10-10 m): Es. F G = - G m p m e /r 2 = - ( ) ( ) ( )/(10-10 ) 2 = (-27)+(-31)-(-20) = = N F C = K q p q e /r 2 = ( ) ( ) ( )/(10-10 ) 2 = (-19)+(-19)-(-20) = = N La forza coulombiana è volte più grande di quella gravitazionale! F. Ballarini I fenomeni Fisica elettrici Applicata pag.4 4

5 Forza di Coulomb nella materia Rispetto al vuoto o all aria, nei materiali la forza di attrazione/repulsione tra le cariche elettriche diminuisce a causa dell effetto di schermo degli elettroni/nuclei atomici del materiale In generale: K K/ε r q ε r = costante dielettrica relativa al mezzo ε r = 1 nel vuoto e nell aria > 1 nei materiali ( 80 nell acqua) q 1 +F F + r +F + F + + q 2 vuoto q 2 Nell acqua la forza è 80 volte più debole! materia F. Ballarini I fenomeni Fisica elettrici Applicata pag.5 5

6 Campo elettrico Tra due cariche q e Q poste a distanza r si esercita la forza F = k ε r q Q r 2 Una carica Q crea attorno a sé un campo elettrico : r r ogni altra carica q ( carica di prova ) che si trova in quella regione risente di una forza di attrazione/repulsione dovuta alla presenza della carica sorgente Q. E = F q N/C F. Ballarini I fenomeni Fisica elettrici Applicata pag.6 6

7 Campo elettrico: esempi Carica puntiforme Q: Q>0 linee di forza uscenti (F repulsiva su q) Q<0 linee di forza entranti (F attrattiva su q) Distribuzione di cariche: risultante vettoriale del contributo di ciascuna carica separatamente dalle altre +q E +Q E +q Q + P E F. Ballarini I fenomeni Fisica elettrici Applicata pag.7 7

8 Energia potenziale elettrostatica La forza coulombiana è conservativa, cioè il lavoro compiuto per spostare una carica q in un campo elettrico lungo una traiettoria chiusa è nullo. Il lavoro per portare q da A a B dipende solo dalla posizione relativa di A e B, e non dal cammino seguito. Q r A q A D B r B C quindi si può definire l energia potenziale elettrostatica : è il lavoro per spostare q da A a B ( contro la forza coulombiana): U A -U B Ponendo U A =0 ( terra ) U B = energia potenziale nel punto B (analogamente, l energia potenziale gravitazionale è il lavoro per sollevare m da A a B ( contro la forza peso): U A -U B ; ponendo U A =0 ( terra ) U B = energia potenziale nel punto B) F. Ballarini I fenomeni Fisica elettrici Applicata pag.8 8

9 Potenziale elettrico In ogni punto del campo elettrico si puo definire un energia potenziale rispetto a un punto di riferimento arbitrario a energia potenziale nulla. potenziale elettrico = lavoro per portare la carica q da terra a P (nel punto P) carica trasportata q V = L/q V Volt = Joule/Coulomb V = J/C = (N m)/c E = N/C = V/m F. Ballarini I fenomeni Fisica elettrici Applicata pag.9 9

10 Differenza di potenziale il punto di riferimento del valore del potenziale (V=0) è arbitrario -> non conta il valore assoluto del potenziale in ogni punto, ma la differenza tra due valori di potenziale, che non cambia anche se cambia il valore di riferimento arbitrario. ΔV = V B -V A = lavoro (energia) necessario per spostare una carica di 1 Coulomb da A a B diff.di potenziale (d.d.p.) o tensione elettrica fornita ad es. da: rete elettrica ΔV = 220 V (alternata a 50 Hz) pila ΔV = 1.5 V (stilo) F. Ballarini I fenomeni Fisica elettrici Applicata pag.10 10

11 ElettronVolt Volt = Joule/Coulomb Joule = Coulomb Volt Energia = Carica elettrica Potenziale elettrico unità di misura pratica di energia su scala atomica: energia di 1 elettrone in una d.d.p. di 1 V elettronvolt (ev) = ( C) (1 V) = J e carica elettrone 1 ev = J 1 J = 1/( ) ev = ev F. Ballarini I fenomeni Fisica elettrici Applicata pag.11 11

12 Corrente elettrica intensità di corrente = quantità di carica intervallo di tempo Q Δt i= ΔQ/Δt A = C/s Ampère Analogia tra il moto di: cariche elettriche int.corrente fluidi portata Es. Quanti elettroni scorrono in 1 A di corrente? 1 A = 1 C/s = (Ne) C/s = N ( ) C/s N = 1/( ) = elettroni. F. Ballarini I fenomeni Fisica elettrici Applicata pag.12 12

13 Moto delle cariche elettriche Normalmente la materia è elettricamente neutra: le cariche + (protoni) e (elettroni) sono legate negli atomi dall attrazione Coulombiana Se c è campo elettrico, si induce una separazione tra cariche + e -. Se gli elettroni sono liberi di muoversi nella struttura atomica/molecolare (es. metalli), si crea una corrente elettrica. Condizione necessaria al moto di cariche: differenza di potenziale Convenzione sulla direzione della corrente elettrica: moto cariche positive Moto reale della corrente: cariche negative (elettroni) in verso opposto i(t) costante (=moto stazionario) i(t) periodica A S E +q B (analogia coi fluidi: diff. di pressione) corrente continua corrente alternata i F. Ballarini I fenomeni Fisica elettrici Applicata pag.13 13

14 Leggi di Ohm In un conduttore a cui e applicata una d.d.p.: 1 a legge di Ohm: ΔV = V A -V B = Ri 2 a legge di Ohm: R = ρl/s V A S E +q l V B i La corrente elettrica in un conduttore è direttamente proporzionale alla d.d.p. applicata ai capi del conduttore stesso. La resistenza a tale moto dipende dal tipo di sostanza, dalla geometria del conduttore (lunghezza e sezione), dalla temperatura. Analogia con i fluidi ( legge di Poiseuille): La portata in un condotto è direttamente proporzionale alla differenza di pressione applicata ai capi del condotto. La resistenza a tale moto dipende dal tipo di sostanza (viscosità), dalla geometria del condotto (lunghezza e sezione), dalla temperatura. F. Ballarini I fenomeni Fisica elettrici Applicata pag.14 14

15 Resistenza e resistività resistenza elettrica = differenza di potenziale intensità di corrente R Dipende da: geometria del conduttore tipo di sostanza temperatura R= ΔV/i Ω = V/A ohm R = ρl/s ρ = RS/l ρ = resistività elettrica (dipende anche dalla temperatura) Ω m 2 /m = Ω m unita pratica: Ω cm F. Ballarini I fenomeni Fisica elettrici Applicata pag.15 15

16 Conduttori e isolanti ΔV = Ri R = ρl/s Conduttori: bassa ρ metalli: argento, rame,... ρ 10-6 Ω cm conduttori elettrolitici: liq.interstiziale ρ 10 2 Ω cm Isolanti: alta ρ acqua distillata ρ 10 5 Ω cm membrana assone ρ 10 9 Ω cm vetro ρ Ω cm Semiconduttori silicio ρ 100 Ω cm germanio ρ 1 Ω cm F. Ballarini I fenomeni Fisica elettrici Applicata pag.16 16

17 Effetto termico della corrente Effetto Joule: gli elettroni in moto (corrente) cedono energia cinetica agli ioni del reticolo molecolare del conduttore. La perdita di energia cinetica diventa calore. Potenza dissipata: W = L/Δt = (qδv)/δt = ΔV q/δt = ΔV i Watt= Volt Ampere (... o, sostituendo dalla 1 a legge di Ohm: W = ΔV 2 /R = i 2 R) Calore prodotto: Q = L = W Δt (Joule) = W Δt/4.18 (cal) F. Ballarini I fenomeni Fisica elettrici Applicata pag.17 17

18 Dissociazione elettrolitica Le molecole con legame ionico nei materiali possono dissociarsi perché l attrazione coulombiana tra gli ioni carichi diventa minore. Es. NaCl Na + Cl - in acqua 1) Legame più debole F C acqua F C aria /80 (ε r H20 =80) 2) Dissociazione el. urti agitaz.termica rottura legami 3) No ricombinazione asimmetria molecola H 2 O Conduttori elettrolitici forte legame ionico (acidi,basi,sali in acqua) Isolanti elettrolitici forte legame covalente (sostanze organiche) Es. NaCl in acqua: parziale dissociazione (84%) es. 100 molecole NaCl 84 Na +, 84 Cl -,16 NaCl tot. 184 particelle F. Ballarini I fenomeni Fisica elettrici Applicata pag.18 18

19 Elettrolisi Cella elettrolitica : soluzione acida in acqua elettrodi A (=anodo) e K (=catodo) connessi con una d.d.p. (generatore G) d.d.p. corrente elettrica (estensione leggi di Ohm) A A + G I + S I E B K Tutti gli ioni carichi si muovono verso gli elettrodi: gli ioni negativi verso l elettrodo positivo (anodo) gli ioni positivi verso l elettrodo negativo (catodo) Cambia la natura chimica delle sostanze: ad es. si deposita massa agli elettrodi, o evaporano gas F. Ballarini I fenomeni Fisica elettrici Applicata pag.19 19