Scarica Elettromagnetismo: Esercizi e Concetti Fondamentali e più Appunti in PDF di Fisica solo su Docsity!
CARICHE E CORRENTI ELETTRICHE
IL CAMPO ELETTRICO
VETTORE CAMPO ELETTRICO
Carica di prova: piccola carica che serve per esplorare le proprietà di una zona di spazio in cui si avvertono forze elettriche. Quando sulla carica di prova agiscono forze di origine elettrica, diciamo che nella zona c’è un campo elettrico. Vettore campo elettrico: è dato dal rapporto tra la forza subita dalla carica di prova e il valore della carica stessa. Così il vettore campo elettrico non dipende dalla carica di prova. La forza dovuta a un campo elettrico che agisce su q è data dalla formula F=q E E=F/q Intensità del vettore campo elettrico: in un punto P:è numericamente uguale al valore della forza che agirebbe su una carica puntiforme da 1C posta in P.
CAMPO ELETTRICO DI UNA CARICA PUNTIFORME
Valore del campo elettrico generato da una carica puntiforme: è direttamente proporzionale al valore della carica e inversamente proporzionale al quadrato della distanza tra i punto considerato e la carica. E=Ko q/r
-Le linee di campo escono dalle cariche positive,mentre entrano verso quelle negative.
Verso del campo: se q è positiva, il campo è rivolto verso l’esterno;se è negativa, il campo è rivolto verso la carica.
Diversi campi elettrici in uno stesso punto si sommano con la regola del parallelogramma..
LE LINEE DEL CAMPO ELETTRICO: si disegnano seguendo queste regole: -in ogni punto sono tangenti al vettore campo elettrico; -escono dalle cariche positive ed entrano in quelle negative; -la loro densità è direttamente proporzionale all’intensità del campo elettrico. Possono essere visualizzate mettendo del filo da cucito in un bagno d’olio,che contiene le cariche elettriche.
Le linee del campo di una carica puntiforme: sono semirette che convergono sulla carica.
Le linee del campo elettrico di 2 lastre parallele cariche: sono segmenti paralleli e posti alla stessa distanza, orientati verso la lastra negativa. Ciò significa che tra 2 lastre cariche di segno opposto il vettore campo elettrico è uniforme, cioè uguale in tutti i punti.
L’ENERGIA ELETTRICA
Lavoro di un campo elettrico uniforme: è dato dalla formula F=q E s Energia potenziale elettrica di una carica in un punto A è uguale al lavoro compiuto dalla forza elettrica quando la carica si sposta dalla posizione iniziale A a quela di riferimento (livello di zero).
LA DIFFERENZA DI POTENZIALE: è data dal quoziente tra il lavoro che le forze del campo compiono per spostare la carica di prova positiva A a B e questa carica. Oppure: VA-VB(tra i punti A e B) è il lavoro LA>B, che la forza del campo compie quando la carica di prova positiva q+ si sposta da A a B, diviso per questa carica q+
VA-VB= LA>B/q+
Un Volt: è l’unità di misura della differenza di potenziale nel sistema internazionale. È uguale a un J fratto coulomb (1V=1J/C)
Differenza di potenziale in un campo uniforme: VA-VB=Es
Dislivello elettrico: le cariche positive scendono lungo una differenza di potenziale, cioè si spostano da dove il potenziale è alto verso i punti in cui è più basso. Le cariche negative salgono lungo una differenza di potenziale, cioè si spostano da dove il potenziale è basso verso i punti in cui è più alto.
Un condensatore piano è formato da due lastre metalliche parallele, elettrizzate con cariche uguali e opposte, sistemate a una distanza piuttosto piccola rispetto alla loro estensione. In un condensatore piano: - il campo elettrico è uniforme e perpendicolare alle lastre (armature del condensatore). – la differenza di potenziale tra le armature è direttamente proporzionale al valore del campo elettrico: Va-Vb=E s I condensatori sono serbatoi di energia. In un condensatore piano la differenza di potenziale tra le armature è direttamente proporzionale alla carica posta su di esse. C= Q / ΔV Capacità elettrica (F) = carica elettrica (C) / differenza di potenziale (V)
LE CARICHE ELETTRICHE
Corpo elettrizzato : corpo che ha acquisito la capacità di attirare oggetti leggeri. Carica elettrica positiva quella dei corpi che si comportano come il vetro
Carica elettrica negativa quella dei corpi che si comportano come la plastica Se due corpi hanno cariche elettriche dello stesso segno si RESPINGONO se hanno cariche elettriche di segni opposti si ATTRAGGONO.
Si respingono si respingono si attraggono
l’atomo è formato da particelle cariche: gli ELETTRONI hanno carica negativa i PROTONI hanno carica positiva
Ogni atomo avendo un numero uguale di protoni ed elettroni è NEUTRO , cioè ha carica pari a 0. Di solito i corpi sono neutri perché sono costituiti da tanti “grani”(gli atomi)neutri. Quando un corpo è carico, significa che c’è uno squilibrio tra protoni ed elettroni.
Corpo negativo : eccesso di elettroni ; quando ha più elettroni che protoni Corpo positivo : mancanza di elettroni (più protoni);quando ha meno elettroni che protoni
Un corpo carico contiene sia protoni che elettroni. Gli elettroni sono molto più leggeri dei protoni , sono mobili e possono spostarsi da un corpo all’altro.
Tutti gli oggetti possono essere caricati per strofinio ma alcuni non mantengono la carica. Per esempio gli oggetti di metallo perdono la carica quando sono a contatto con le mani nude.
Le sostanze che (come la plastica) si caricano sempre quando sono strofinate sono dette ISOLANTI ELETTRICI.
Le sostanze che (come i metalli o il nostro corpo) si comportano in modo diverso sono chiamati CONDUTTORI ELETTRICI.
Esistono sostanze più o meno conduttrici oppure più o meno isolanti, dipende dal tipo di sostanza. La plastica e il vetro sono ottimi isolanti,mentre i metalli,in particolare il rame e l’argento,sono ottimi conduttori. ISOLANTI : le cariche occupano posizioni fisse e non possono spostarsi. CONDUTTORI : le cariche elettriche si muovono liberamente.
Nei conduttori metallici vi sono gli ELETTRONI LIBERI che si spostano con facilità da un atomo all’altro. In un isolante gli elettroni sono legati molto ai protoni dell’atomo e difficilmente se ne allontanano.
I conduttori possono essere elettrizzati per contatto.
Elettroscopio : strumento che serve per sapere se un corpo o un oggetto è carico. Un oggetto è carico se quando messo a contatto con l’elettroscopio (la sfera superiore) fa divaricare le sue foglioline. Per misurare la carica elettrica, si sceglie una carica come unità di misura,poi si tara l’elettroscopio con una scala che misuri le divaricazioni delle foglioline. Tutti gli elettroni dell’universo hanno la stessa carica negativa : -e = 1,6021 x 10^ –19 C (carica elettrica elementare).
LEGGE DI COULOMB : il valore della forza elettrica tra due oggetti carichi è: DIRETTAMENTE PROPORZIONALE a ciascuna carica e INVERSAMENTE PROPORZIONALE al quadrato della loro DISTANZA.
F= k0 Q1 Q2 LEGGE Nell’acqua distillata la costante è di 1/ ________ DI di quella nel vuoto d² COULOMB
forza di coulomb (N) = costante (N m ² /C ² ) prima carica seconda carica
distanza ² (m)
k0 (costante nel vuoto) = **8,99 x 10^9 N m²
C²** -Mantenendo fissa la distanza r
- Se le cariche sono entrambe positive o entram- Due corpi si respingono : forza repulsiva - be negative la forza è repulsiva. Due corpi si attraggono : forza attrattiva -Se le cariche sono una positiva e una negativa la forza è attrattiva.
-Mantenendo fisse le cariche -se una delle 2 cariche raddoppia,la forza elet- -trica raddoppia.
- se anche l’altra carica raddoppia,la forza diventa 4 volte più grande. - se la distanza raddoppia,la forza diventa 4 volte Forza elettrica e forza gravitazionale: più piccola. simili perché: : -se la distanza si riduce di 4 volte,la forza
- agiscono a distanza (non a contatto) diventa 16 volte più grande.
Verso della corrente : è quello percorso da cariche positive, cioè dal polo positivo a quello negativo del generatore.
Circuiti elettrici :insieme di conduttori collegati in modo continuo e collegati ad un generatore. Se la catena dei conduttori non è interrotta il circuito si dice chiuso e in esso scorre corrente elettrica. Se è interrotta il circuito è aperto e non scorre corrente.
Legge dei nodi :la somma delle intensità di corrente che entrano in un nodo è sempre uguale alla somma di quelle che escono. È una conseguenza del principio di conservazione della carica elettrica.
Nodo : punto del circuito in cui si uniscono 3 o piu conduttori.
Collegamento in serie : piu conduttori sono collegati in serie se sono posti in successione tra loro. In essi passa la stessa corrente elettrica.
Collegamento in parallelo : piu conduttori sono collegati in parallelo se hanno le prime estremità connesse tra loro e anche i secondi estremi connessi tra loro. Essi sono sottoposti alla stessa differenza di potenziale.
Prima legge di ohm :nei conduttori metallici l’intensità di corrente è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale ai loro capi. Se la tensione raddoppia anche la corrente raddoppia, se triplica.. I=ΔV/R Intensità di corr. (A)=differenza di potenziale(V) / resistenza (Ω) L’ohm è 1V/1Ala resistenza è la costante di proporzionalità. La resistenza si misura con l’ohmetro ed esprime la difficoltà che hanno gli elettroni a risalire la differenza di potenziale.la stessa differenza di potenziale applicata ai capi di un conduttore che ha una resistenza grande, produce poca corrente.invece applicata a un conduttore con bassa resistenza, crea una corrente intensa. Un conduttore che segue la prima legge di ohm è detto resistore o conduttore ohmico.
Seconda legge di ohm : la resitenza di un filo conduttore è direttamente proporzionale alla sua lunghezza e inversamente alla sua area trasversale R=p l/A Resistenza elettrica(Ω)=resistività (Ωx m) x lunghezza(m)/area trasversale(m 2 ) La costante di proporzionalità si chiama resistività e dipende dal particolare materiale con cui è fatto il filo. Si misura in ohm per metro.
Le leggi di ohm sono applicabili a quasi tutti i materiali ed è allora possibile assegnare a ogni materiale il valore della sua resistività. È utile per dire se un materiale è un conduttore o un isolante.i materiali cn caratteristiche intermedie sono detti semiconduttori.
Resistori in serie : in un circuito l intensità di corrente che scorrre all interno sarebbe la stessa se si sostituiscono i due resistori con un unico resistore che ha resistenza R=r1+r R è detta resistenza equivalente delle due resistenze in serie. Infatti la resistenza di un conduttore formato da piu resistori posti in serie, è uguale alla somma delle resistenze dei singoli resistori.
Resistori in parallelo : R è detta resistenza equivalente delle due resistenze in parallelo. In generale se si hanno due resistori collegati in parallelo,l’inverso della loro resistenza equivalente R è uguale alla somma degli inversi delle resistenze di ciascun resistore. 1/R = 1/R1+1/R2.. per ogni resistore che si aggiunge la resistenza totale del circuito diminuisce.
2 resistenze in parallelo : la corrente che esce dal generatore è uguale a quella che scorrerebbe in un solo resistore con una resistenza calcolata secondo la formula R= R1R2 /R1+R2.
Forza elettromotrice : di un generatore è il rapporto tra il lavoro L che il generatore compie per spostare una carica q al suo interno e la carica q stessa. f em=L/q (V)=(J)/(C) si misura in volt cioè joule fratto coulomb. La forza elettromotr. È uguale alla massima tensione che si puo avere tra i poli del generatore.
La resistenza interna r misura l’impedimento al moto delle cariche che si ha all’interno del generatore.
L'effetto joule è quel fenomeno per cui un conduttore attraversato da una corrente elettrica dissipa energia sotto forma di calore in quantità proporzionale all'intensità della corrente elettrica che lo attraversa. È però alla base del funzionamento di molti dispositivi elettrici.
Potenza dissipata : dal resistore la rapidità con cui l’energia elettrica è trasformata in calore. P=Ri 2 potenza dissipata (W)= resistenza (Ω) intensità di corrente (A). la potenza dissipata è quindi direttamente proporzionale alla resistenza e al quadrato della corrente elettrica.
Il kilowattora è l’energia assorbita in un’ora da un dispositivo che assorbe la potenza di 1000W
Lavoro di estrazione : minimo lavoro che occorre compiere per far uscire un elettrone da un metallo.
Effetto termoionico : estrazione di elettroni da un metallo tramite il riscaldamento. Utilizzato nei monitor e nelle televisioni per creare il fascio di elettroni che disegna l immagine sullo schermo.
Effetto fotoelettrico : estrazione di elettroni da un metallo tramite l’illuminazione. È utilizzato nelle celle fotoelettriche.
Soluzione elettrolitica liquido a cui è stato aggiunto un acido o un sale, in essa la corrente elettrica è costituita da ioni positivi che si spostano verso il polo-e ioni negativi che migrano verso il polo +
Cella a combustibile generatore di tensione alimentato da idrogeno; durante il suo funzionamento emette vapore acqueo. Le celle a combustione sono usate per alimentare auto elettriche.
Corrente in un gas è dovuta al moto degli elettroni accelerati da una differenza di potenziale. I tubi al neon sono luminosi perché gli elettroni veloci urtano gli atomi del gas, i quali acquistano energia cinetica, che poi trasformano in energia luminosa.
Tubi fluorescenti contengono dei vapori di mercurio che emettono luce ultravioletta. Questa è assorbita dai fosfori che ricoprono la parete interna del tubo. Essi assorbono i raggi ultravioletti e riemettono la stessa energia come luce visibile.
Il fulmine in esso gli elettroni si muovono così velocemente da ionizzare gli atomi che vengono urtati. Anche queste cariche sono accelerate e generano altre cariche in un effetto a valanga. È un esempio di corrente di scarica, che è dovuta al moto sia di cariche negative, sia di cariche positive.
Semiconduttori materiali solidi con una resistività intermedia tra quella dei conduttori e quella degli isolanti, come per esempio silicio e germanio.
Conduzione nei semiconduttori a temperature opportune l’agitazione termica riesce a rompere qualche legame, allontanando uno degli elettroni dal proprio atomo. lì rimane un posto libero, detto lacuna, che si comporta come una carica positiva in un semiconduttore, la corrente elettrica è dovuta al moto sia degli elettroni sia delle lacune.
Drogaggio del semiconduttore consiste nell’inserimento di atomi di altri elementi chimici. In un semiconduttore di tipo n si aumenta il numero degli elettroni di conduzione, in uno di tipo p si aumenta il numero delle lacune.
Transistori si ottengono unendo in modo opportuno semiconduttori di tipo n e di tipo p. Servono per amplificare la corrente oppure come interruttori. In questo secondo modo sono utilizzati per realizzare i computer.
Cella fotovoltaica dispositivo che produce energia elettrica trasformando l’energia solare che riceve. È costruito unendo uno strato semiconduttore di tipo n e uno di tipo p(giunzione n-p)
L’ELETTROMAGNETISMO
IL CAMPO MAGNETICO
LA FORZA MAGNETICA
Magnete naturale un esempio è la magnetite,ossia un minerale che ha la capacità di attirare piccoli pezzi di ferro. Magnete artificiale o calamita un esempio è la sbarretta di ferro che messa a contatto con la magnetite,acquista la capacità di attirare piccoli pezzi di ferro.La sbarretta si è smagnetizzata ed è divenuta un magnete artificiale. Sostanze ferromagnetiche si chiamano così i materiali che possono essere magnetizzati(per es il ferro e il nickel, l’acciaio e il cobalto) Un ago magnetico è una piccola calamita che può ruotare attorno al suo centro. L'ago ruota fino a disporsi nella direzione nord-sud. Polo nord di una calamita è l’estremo che punta verso il polo Nord terrestre;l’estremo opposto della calamita si chiama polo sud.Poli magnetici dello stesso tipo si respingono,poli magnetici di tipo diverso si attraggono. La forza magnetica può essere attrattiva e repulsiva
LE LINEE DEL CAMPO MAGNETICO
Ogni magnete genera nello spazio che lo circonda un campo magnetico. (descritto da un vettore). Campo magnetico B →^ viene generato da ogni magnete nello spazio che lo circonda La terra è un grande magnete che esercita i suoi effetti su tutti gli altri magneti posti nelle vicinanze. Campo magnetico terrestre nella zona del polo nord magnetico,il magnete-Terra ha un polo sud, visto che attira i poli nord di tutte le bussole. Possiamo quindi affermare che la Terra può essere vista come un grande magnete che ha un polo sud nella zona del polo nord magnetico e viceversa.
-calcolare il rapporto tra F e il prodotto il.
Nel sistema internazionale, l’unità di misura del campo magnetico è detta tesla(simbolo T): 1T=1N/1Ax1m
LA FORZA SU UNA CORRENTE E SU UNA CARICA IN MOTO
Se conosciamo il campo magnetico, siamo in grado di calcolare la forza F che agisce su un pezzo di filo lungo l percorso da una corrente i. Quando il filo è perpendicolare alle linee del campo, subisce una forza: F=Bil Forza magnetica(N)=campo magnetico(T)intensità di corrente(A)lunghezza(m)
Questa forza è: -direttamente proporzionale al campo,alla corrente e alla lunghezza del pezzo di filo -perpendicolare al filo -orientata, secondo la regola della mano destra, con il verso che esce dal palmo della mano Per applicare la regola della mano destra si pone il pollice nel verso della corrente e si orientano le altre dita nel verso del campo magnetico. La forza esce dal palmo della mano. Se il filo non è perpendicolare al campo magnetico, la forza è più piccola. Ciò che conta non è il valore del campo magnetico, ma quello della sua componente B perpendicolare al filo. Nel caso generale la formula diventa: F=B (perpendicolare) il -Quando B è perpendicolare al filo si ha B(perpendicolare)=B e la forza magnetica ha valore massimo. -se il campo B è inclinato rispetto al filo B(perpendicolare) è minore di B e la forza magnetica ha valore minore. -se B è parallelo al filo si ha B(perpendicolare)=0 la forza magnetica è nulla su un filo parallelo al campo.
Una corrente elettrica è costituita da molte cariche in moto. Quindi la forza magnetica su una corrente è il risultato della somma delle forze magnetiche che agiscono su tutte le cariche in moto dentro al filo. Consideriamo una particella di carica q che si muove alla velocità v in direzione perpendicolare al campo magnetico. Gli esperimenti mostrano che la carica subisce una forza magnetica di intensità F=qvB Forza magnetica(N)=carica elettrica(C)x velocità(m/s)x campo magnetico(T)
Questa forza è: -direttamente proporzionale al campo, alla carica e alla sua velocità -perpendicolare alla velocità -orientata, secondo la regola della mano destra, con il verso che esce dal palmo della mano. Se la carica è positiva si pone il pollice della mano destra nel verso della velocità e le altre dita nel verso del campo magnetico. Se la carica è negativa il pollice della mano destra va orientato nel verso opposto a quello della velocità.
Come nel caso della corrente, se il moto della particella non è perpendicolare al campo magnetico, la forza è più piccola: nella formula compare la componente B(perpendicolare) del campo magnetico perpendicolare alla velocità. In particolare, se la particella si muove parallelamente al campo magnetico, non subisce alcuna forza. Quando si hanno moltissimi elettroni in moto in un filo conduttore, la forza F=Bil è la somma delle piccolissime forze F=qvB che agiscono su ognuno degli elettroni che costituiscono la corrente.
IL CAMPO MAGNETICO DI UN FILO E IN UN SOLENOIDE
Campo magnetico di un filo rettilineo un filo rettilineo percorso da una corrente genera un campo magnetico cha ha linee circolari disposte perpendicolarmente al filo. Il campo magnetico generato da un filo rettilineo in un punto è direttamente proporzionale all’intensità di corrente nel filo e inversamente proporzionale alla distanza tra il punto e il filo. Il valore del campo magnetico è dato dalla formula: B=km i/d Campo magnetico(T)=costante di proporzionalità(N/A 2 ).intensità di corrente(A)/distanza(m) La costante di proporzionalità km vale 2x10 -7^ N/A^2
Campo magnetico in un solenoide un solenoide è una bobina cilindrica avvolta in modo uniforme e regolare. All’interno di un solenoide lungo e stretto, il campo magnetico è uniforme. Il valore del campo magnetico all’interno di un solenoide di lunghezza l, formato da N spire di un filo che trasporta una corrente i è dato dalla formula: B=2πkm Ni/l
IL MOTORE ELETTRICO
Motore elettrico è un dispositivo che trasforma energia elettrica in energia meccanica. Un semplice motore è costituito da una spira rettangolare percorsa da corrente e posta in un campo magnetico uniforme. La corrente cambia verso cambiando il verso della corrente ogni mezzo giro, la coppia di forze magnetiche mantiene la spira in rotazione.
L’ELETTROMAGNETE
L’elettromagnete esso si ottiene avvolgendo una bobina attorno a un nucleo di ferro dolce e facendo passare corrente nella bobina. Un elettromagnete si comporta come una calamita che entra in azione a comando, azionando un interruttore. Magneti permanenti vi sono poi dei materiali, come ad esempio l’acciaio e il cobalto con le quali non è possibile costruire un elettromagnete. Questo perché, queste sostanze una volta magnetizzate, non tornano nella condizione normale quando si interrompe la corrente nella bobina. Con questi materiali si possono però fabbricare calamite, ossia magneti permanenti artificiali; inoltre questi materiali sono presenti nei nastri delle cassette audio e video, ma anche nei floppy disk e dischi rigidi del computer, con lo scopo di memorizzare dati.
L’INDUZIONE ELETTROMAGNETICA
LA CORRENTE INDOTTA
Corrente indotta è una corrente presente in un circuito privo di generatore(circuito indotto); è generata da un campo magnetico che varia, per esempio a causa della variazione della corrente di un circuito vicino(circuito inducente).
IL FLUSSO DELA CAMPO MAGNETICO
L’intensità della corrente indotta dipende da tre grandezze: -la variazione del campo magnetico esterno -l’area del circuito indotto -il suo orientamento.
Il flusso del campo magnetico attraverso un circuito è uguale al prodotto dell’area A del circuito per la componente B (perpendicolare) del campo magnetico perpendicolare al circuito: Φ=AB(perpendicolare) Flusso(Wb)=area(m 2 ).componente di B perpendicolare al circuito(T)
Il flusso è: -massimo quando il campo è perpendicolare alla superficie -nullo quando il campo è parallelo alla superficie
Un weber (1Wb) è l’unità di misura del flusso del campo magnetico nel Sistema Internazionale. È uguale alla tesla moltiplicato per un metro quadrato (1Wb= 1T.m2^ ) Segno del flusso del campo magnetico bisogna prima di tutto scegliere qual è la faccia positiva della superficie del circuito. Fatto questo, è positivo il flusso di un campo magnetico le cui linee escono dalla faccia positiva della superficie.
LA LEGGE DI FARADAY-NEUMANN
Generazione di correnti indotte in un circuito si genera una corrente indotta quando cambia il flusso del campo magnetico attraverso di esso.
La legge di Faraday-Neumann afferma che la forza elettromotrice indotta è uguale al rapporto tra la variazione del flusso del campo magnetico e il tempo necessario per avere tale variazione: f em=ΔΦ/Δt Forza elettromotrice indotta(V)=variazione del flusso(Wb)/intervallo di tempo(s)
-per la legge di Ohm, se R è la resistenza del circuito, la corrente è data da i= f em/R=1/R.ΔV/Δt
IL VERSO DELLA CORRENTE INDOTTA
Legge di Lenz il verso della corrente indotta è sempre tale da opporsi alla variazione di flusso che la genera. In caso contrario si violerebbe il principio di conservazione dell’energia.
