Corso di Elettromagnetismo e circuiti Stage Invernali 2010 LNF – INFN Tutors : Massimiliano Bazzi Alessandro Rizzo Teoria ed evidenze dell’elettromagnetismo Componenti fondamentali dei circuito Applicazioni Semiconduttori Grecia del VII sec. A.C. CAMPO ELETTRICO Generato da una carica elettrica, è una regione di spazio dove una carica di prova subisce una variazione del suo stato di quiete o di moto. Evidenze e studi empirici: Otto von Geuricke Bottiglia di Leida Elettricità atmosferica Verso uno studio sistematico Charles Augustin de Coulomb La pila di Volta CAMPO MAGNETICO Generato da corrente elettrica, è quella regione di spazio dove se posto un corpo magnetizzato, esso si orienta secondo le linee di campo. Evidenze empiriche: Grecia VII sec. Le prime bussole (Cina 2000 a.C.) Gilbert: "De magnete, magneticisque corpibus, et de magno magnete tellure" Verso uno studio più sistematico… Hans Christian Oersted Legge di Biot-Savart: CONNESSIONE TRA CAMPO ELETTRICO E CAMPO MAGNETICO EQUAZIONI EMPIRICHE: Carl Friedrich Gauss Andre’ Marie Ampere µ0= permeabilità magnetica. ϵ0=costante dielettrica. 4π=angolo solido completo Faraday (flusso di campo magnetico) La forza elettromagnetica indotta in una spira da un campo magnetico è pari all’opposto della variazione del flusso magnetico attraverso l'area della spira. Equazioni di Maxwell-unione campo elettrico e magnetico Legge di Ohm RI=V esprime una relazione tra la tensione ai capi di un conduttore e la corrente che lo attraversa. Intensità di corrente [I]: La corrente è il flusso di cariche che attraversa la sezione del conduttore per unita’ di tempo. Resistenza [R]: Ogni corpo attraversato da corrente oppone una resistenza al flusso di elettroni (proprietà intrinseca del corpo) Tensione elettrica (ddp) [V]: Potenziale necessario per far fluire le cariche da un punto all’altro del conduttore. UNITA’ DI MISURA Volt(V): tra due punti A e B di una regione di spazio sede di un campo elettrico c'è una differenza di potenziale di 1 V se la forza elettrica compie il lavoro di 1 J per portare una carica di 1 C da A a B. Ampere(A):è l'intensità di corrente elettrica che, se mantenuta in due conduttori lineari paralleli, di lunghezza infinita e sezione trasversale trascurabile, posti a un metro di distanza l'uno dall'altro nel vuoto, produce tra questi una forza pari a 2 · 10-7 newton per metro di lunghezza. Ohm(Ω):un resistore ha resistenza pari ad 1 ohm quando una differenza di potenziale ai suoi capi pari ad un volt genera una corrente di intensità pari ad un ampere. Coulomb(C):1 coulomb è la quantità di carica elettrica trasportata da una corrente di 1 ampere che scorre per 1 secondo. Joule(J):un Joule è il lavoro richiesto per esercitare una forza di un newton per una distanza di un metro. Watt(W):un watt equivale a 1 joule al secondo. Componenti dei circuiti Le Resistenze La Resistività è la capacità di un materiale di opporsi al passaggio di carica elettrica Le resistenze sono componenti elettriche fondamentali Le Reattanze Reattanze Capacitive Reattanze Induttive Applicazioni Il Trasformatore CIRCUITI ELETTRICI Filtri Filtro RC Filtro RLC Filtro CR Filtro RC-CR Il campo E per accelerare particelle cariche Acceleratori Elettrostatici La prima idea.. eV – definizione: Si definisce 1eV come l’energia acquistata da un elettrone attraversando una ddp di 1 V Utilizzare una ddp per accelerare particelle cariche! Acceleratori Elettrostatici Cockroft e Walton Enormi dimensioni Isolati in aria per evitare le scariche Van der Graaff I laboratori dove I fisici facevano gli esperimenti erano qui dentro! Colonne d’isolamento Funzionamento Meccanico: La legge di Faraday E=-ΔΦ(B)/Δt Dato un campo magnetico e un lavoro meccanico è possibile produrre energia elettrica Alternatore e Motore É un sistema che trasforma il lavoro meccanico in energia elettrica attraverso un campo magnetico Il motore elettrico è strutturalmente identico all'alternatore Attraverso la forza repulsiva magnetica genera lavoro meccanico Semiconduttori Semiconduttore Sono materiali che hanno un comportamento resistivo intermedio tra conduttori e isolanti La natura dei 3 materiali si rappresenta attraverso il modello a bande energetiche Drogaggio n-p Nel drogaggio n si inseriscono nel silicio impurita’ pentavalenti (n=5, p.e. fosforo) Nel drogaggio p si inseriscono invece impurità trivalenti (n=3, p.e. boro) Giunzione p-n Polarizzazione diretta e inversa Congiungendo una regione p con una n si ottiene un nuovo componente (diodo) Polarizzando il diodo in diretta il dispositivo risulta essere conduttivo In inversa si comporta come un circuito aperto Diodi e Transistor E' formato da due blocchi di silicio di diverso drogaggio Permette il passaggio di corrente in un solo verso E' formato da due giunzioni (npn o pnp) Ha tre terminali (base,collettore ed emettitore) Puo’ lavorare in interdizione, conduzione e saturazione