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Principi di elettrostatica, Dispense di Fisica

I principi fondamentali dell'elettrostatica, tra cui la carica elettrica, gli isolanti e i conduttori, la legge di Coulomb e il campo elettrico. Vengono descritti i concetti di carica totale, conservazione della carica elettrica, elettrizzazione per separazione e per contatto, densità di carica e distribuzione sferica della carica. Inoltre, viene spiegata la sovrapposizione delle forze e dei campi elettrici e le differenze tra la legge di Coulomb e la legge della gravitazione universale.

Tipologia: Dispense

2022/2023

In vendita dal 08/02/2024

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1. La carica elettrica:
Un corpo che contiene un’uguale quantità di cariche positive e negative ha una carica totale pari a
zero. I corpi con carica totale nulla sono detti elettricamente neutri. Gli atomi sono oggetti
elettricamente neutri; gli elettroni sono oggetti carichi negativamente.
Conservazione della carica elettrica = la carica totale di un sistema chiuso è costante.
Legge di conservazione della carica elettrica = la carica elettrica totale dell’universo è costante.
Nessun processo fisico può determinare un aumento o una diminuzione della quantità totale di
carica dell’universo.
Elettrizzazione per separazione = l’atomo che perde un elettrone diventa uno ione positivo, mentre
l’atomo che riceve un elettrone supplementare diventa uno ione negativo.
Carica elettrica di un corpo =
* Stimo la massa;
* Calcolo il numero di nucleoni;
* Calcolo il numero di protoni;
* Calcolo la carica elettrica totale positiva.
2. Isolanti e conduttori:
I materiali isolanti (le cariche non sono libere di muoversi) si elettrizzano per strofinio o per
polarizzazione.
I materiali conduttori (le cariche sono più o meno libere di muoversi) si elettrizzano per contatto o
per induzione.
Alcuni materiali hanno proprietà intermedie tra quelle di un buon conduttore e quelle di un buon
isolante, essi vengono chiamati semiconduttori.
La carica di un corpo si può rivelare utilizzando l’elettroscopio a foglie, uno strumento costruito
con un’ampolla di vetro, chiusa con un tappo isolante, in cui è inserita una bacchetta metallica che
presenta all’estremità inferiore due foglioline d’oro o di stagnola.
Carica fondamentale =
𝑒 = 1.60 10!"#𝐶
Dove C è l’unità di misura (coulomb).
Elettrizzazione per induzione =
Si può caricare un oggetto anche senza un contatto fisico diretto. Il meccanismo responsabile della
carica a distanza di un conduttore viene detto induzione.
La carica indotta sulla sfera è di segno opposto a quella della carica presente sulla sbarretta. Se la
sfera è carica per contatto essa acquista una carica di segno uguale a quello della carica della
sbarretta.
Polarizzazione =
Se avviciniamo un corpo carico ad un isolante teniamo il fenomeno della polarizzazione. La carica
che si accumula sulla superficie dell’oggetto è detta carica di polarizzazione. Poiché la carica di
polarizzazione e quella della sbarretta hanno segno opposto, la sbarretta e l’oggetto si attraggono.
Se all’oggetto neutro si avvicina una sbarretta carica negativamente, la carica di polarizzazione è
positiva. Mentre in alcune molecole il centro delle cariche positive coincide con quello delle cariche
negative, in altre molecole, dette polari, i centri delle cariche positive e negative si trovano ad una
certa distanza d.
Le molecole polari tendono a polarizzarsi facilmente: in questo caso si parla di polarizzazione per
orientamento.
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1. La carica elettrica: - Un corpo che contiene un’uguale quantità di cariche positive e negative ha una carica totale pari a zero. I corpi con carica totale nulla sono detti elettricamente neutri. Gli atomi sono oggetti elettricamente neutri; gli elettroni sono oggetti carichi negativamente. - Conservazione della carica elettrica = la carica totale di un sistema chiuso è costante. - Legge di conservazione della carica elettrica = la carica elettrica totale dell’universo è costante. Nessun processo fisico può determinare un aumento o una diminuzione della quantità totale di carica dell’universo. - Elettrizzazione per separazione = l’atomo che perde un elettrone diventa uno ione positivo , mentre l’atomo che riceve un elettrone supplementare diventa uno ione negativo. - Carica elettrica di un corpo = * Stimo la massa; * Calcolo il numero di nucleoni; * Calcolo il numero di protoni; * Calcolo la carica elettrica totale positiva. 2. Isolanti e conduttori: - I materiali isolanti (le cariche non sono libere di muoversi) si elettrizzano per strofinio o per polarizzazione. I materiali conduttori (le cariche sono più o meno libere di muoversi) si elettrizzano per contatto o per induzione. Alcuni materiali hanno proprietà intermedie tra quelle di un buon conduttore e quelle di un buon isolante, essi vengono chiamati semiconduttori. - La carica di un corpo si può rivelare utilizzando l’ elettroscopio a foglie , uno strumento costruito con un’ampolla di vetro, chiusa con un tappo isolante, in cui è inserita una bacchetta metallica che presenta all’estremità inferiore due foglioline d’oro o di stagnola. - Carica fondamentale = 𝑒 = 1. 60 ∙ 10 !"#𝐶 Dove C è l’unità di misura (coulomb). - Elettrizzazione per induzione = Si può caricare un oggetto anche senza un contatto fisico diretto. Il meccanismo responsabile della carica a distanza di un conduttore viene detto induzione. La carica indotta sulla sfera è di segno opposto a quella della carica presente sulla sbarretta. Se la sfera è carica per contatto essa acquista una carica di segno uguale a quello della carica della sbarretta. - Polarizzazione = Se avviciniamo un corpo carico ad un isolante teniamo il fenomeno della polarizzazione. La carica che si accumula sulla superficie dell’oggetto è detta carica di polarizzazione. Poiché la carica di polarizzazione e quella della sbarretta hanno segno opposto, la sbarretta e l’oggetto si attraggono. Se all’oggetto neutro si avvicina una sbarretta carica negativamente, la carica di polarizzazione è positiva. Mentre in alcune molecole il centro delle cariche positive coincide con quello delle cariche negative, in altre molecole, dette polari , i centri delle cariche positive e negative si trovano ad una certa distanza d. Le molecole polari tendono a polarizzarsi facilmente: in questo caso si parla di polarizzazione per orientamento.

3. La legge di Coulomb: - È una legge sperimentale basata sui risultati ottenuti con una bilancia di torsione. - L’intensità della forza che agisce fra due cariche puntiformi 𝑞" e 𝑞$ poste a distanza e nel vuoto è: 𝐹 =

Dove ! "#∙%'∙%(

= 8. 99 ∙ 10 #^

)*! +! Se le cariche hanno lo stesso segno, le forze sono repulsive; Se le cariche hanno segno opposto, le forze sono attrattive.

  • Confronto fra legge di Coulomb e legge della gravitazione universale = Analogie: Differenze: Differenze: f. elettrica f. gravitazionale Agiscono a distanza Sia attrattiva sia repulsiva Sempre attrattiva Agiscono lungo la congiungente dei due oggetti Solo su corpi carichi Si esercita su tutti i corpi Inversamente proporzionali alla distanza Risente del mezzo Non dipende dal mezzo Dipendono dal prodotto di due grandezze intrinseche
  • Sovrapposizione delle forze = La forza elettrica è una grandezza vettoriale. Perciò, quando una carica è soggetta dalla forza esercitata da due o più cariche, la forza risultante è pari alla somma vettoriale delle singole forze. La forza totale esercitata da un insieme di cariche su una carica q è data dalla somma delle interazioni tra la carica q e ciascuna delle altre cariche in gioco, dove la forza tra ogni coppia di cariche è fornita dalla legge di Coulomb.
  • Densità di carica =

* Densità volumica di carica: 𝜌 =

! " , si misura in

$!

* Densità superficiale di carica: 𝜎 =

! % , si misura in

$"

* Densità lineare di carica: 𝜆 =

! &

, si misura in

$

  • Distribuzione sferica della carica = La distribuzione sferica della carica si comporta come se tutta la carica fosse concentrata nel centro della sfera. 4. Il campo elettrico: Se una carica di prova q è sottoposta ad una forza F in un punto dato, il campo elettrico E in quel punto

è: 𝐸 =

& '

! "#∙%'

( ), La sua unità di misura è newton al coulomb (N/C).

  • Sovrapposizione dei campi = Molti sistemi elettrici sono costituiti da più cariche. Il campo elettrico totale può essere ricavato calcolando la somma vettoriale dei campi elettrici dovuti alle singole cariche.
  • Le linee del campo =
    • Sono dirette lungo la direzione del vettore campo elettrico E in ogni punto;
    • Partono dalle cariche positive (+) o dall’infinito;