Fenomeni elettrici Osservazione: corpi carichi elettricamente si attraggono o respingono; nuova proprietà della materia (carica elettrica) nuova forza di tipo fondamentale (forza elettromagnetica) Carica Elettrica • Rappresenta la 4a grandezza fondamentale (Q,q); • Unità di misura S.I. : coulomb (C); • Può essere positiva (+), negativa (-) o neutra (0); • In un sistema composto, è pari alla somma algebrica delle cariche elettriche dei singoli costituenti; • Essa si conserva in ogni trasformazione fisica; • È “quantizzata”, ovvero può essere solo un multiplo intero della carica elementare e = 1,6·10-19 C Interpretazione “microscopica” Modello dell’atomo Il nucleo contiene protoni e neutroni, gli elettroni giacciono invece su orbitali esterni. massa (kg) carica (C) Protone 1,6710-27 + 1,610-19 = +e Neutrone 1,6710-27 0 Elettrone 9,1110-31 - 1,610-19 = -e Esempio: il sodio (11 elettroni) - - - - - A struttura atomica deve la sua stabilità alle forze elettriche che si esercitano tra elettroni e nucleo. - 11+ - - - Corpi carichi: negativamente eccesso di elettroni positivamente carenza di elettroni Corpi neutri: equilibrio tra cariche positive e cariche negative Nota: 1C 6,251018 e !!! - Esempio: Una sbarra di vetro strofinata con un panno acquista una carica elettrica Q=3,2·10-10 C. Quanti elettroni si trasferiscono dal vetro al panno ? R. 2 109 elettroni Legge di Coulomb Date due cariche puntiformi q1 e q2, poste a distanza r, si esercita tra di esse una forza F (forza di Coulomb o elettrostatica) diretta lungo la congiungente le due cariche, di modulo pari a q1 –F +F + – r q1 q2 F k 2 r q2 Tale forza è • attrattiva se le cariche hanno segno opposto; • repulsiva se le cariche hanno lo stesso segno. Nel vuoto: k = ko = 9109 Nm2/C2 (G = 6,710-11 Nm2/kg2 per la forza gravitazionale !) Se le cariche elettriche sono poste in un mezzo: k = ko/r r = costante dielettrica relativa = 1,0006 (aria) 9.0 (membrana assone) 81,07 (acqua) 7,0 (vetro) Esempio: Quale forza esercita una carica di 7C su di un’altra di 3C distante dalla prima di 2m ? R. F 4,72 1010 N Campo elettrico Definizione: Intensità del campo elettrico E (q è una carica positiva su cui agisce F): Unità di misura (S.I.): Newton/Coulomb = N/C F E q Esempio: Campo elettrico generato da una carica Q nello spazio: F Q E k 2 q r E non dipende dalla carica esploratrice q, ma solo da Q !! Diminusce con il quadrato della distanza r da Q E +q +Q E Linee di forza: uscenti da Q (carica Q positiva) entranti in Q (carica Q negativa) +q –Q Esempio: Una carica elettrica Q=10-2 C posta nel vuoto genera un campo elettrico nello spazio circostante. Calcolare: a) l’intensità del campo elettrico in un punto P ad una distanza r = 10 cm dalla carica Q (k= 9,0·109 N·m2/C2 ); R. E 9 109 N/C b) la forza che agisce su di un elettrone (|q|= e = 1,6·10-19 C) posto nel punto P. R. F 14,4 10-10 N Nel caso di più cariche, l’intensità del campo elettrico è data dalla somma vettoriale dei vettori intensità generati da ciascuna carica E P + + + + Esempi di linee di forza prodotte da due cariche uguali e da due cariche opposte Altro esempio: il campo elettrico uniforme (E=cost.) + + + + + + + + + + carica +Q + + + + + + + + + + ---------- carica -Q ---------- Lavoro della forza elettrostatica B LAB = LAD+LDC+LCB Il lavoro della forza elettrostatica non dipende dal percorso seguito ! Forza conservativa In analogia con il caso della forza peso: A q rA Q D rB C LAB U p , A U p , B U p U è l’energia potenziale elettrostatica (U.M.: Joule) • è proporzionale alla carica q; • Conservazione dell’energia: (in assenza di attrito !!) Ek U p 0 Potenziale elettrico (o Tensione) È il rapporto tra l’energia potenziale Up di una carica q in un punto dello spazio e la carica q stessa: V Up q • non dipende dalla carica q; • dipende dal punto dello spazio considerato; • si misura (S.I.) in Volt (V) = Joule/Coulomb; • si ha: LAB U p , A U p , B q (VA VB ) dove VA-VB= V è la differenza di potenziale (d.d.p.) Esempio: campo elettrico uniforme A E costante F q E costante + + + + + + + + + + carica +Q + + + + + + + + + + +q Moto unif. accelerato d F Inoltre: LAB q (VA VB ) q V ma anche LAB q E d V E d B ---------- carica -Q ---------- Nota: per portare una carica da B ad A occorre compiere un lavoro uguale e contrario ad LAB generatore elettrico Esempio: Lo spessore di una membrana cellulare è d=5·10-9 m. Calcolare il campo elettrico al suo interno sapendo che essa viene polarizzata con V=100mV. R. E 2 107 V/m L’elettronvolt Poichè LAB = Ek (teorema dell’energia cinetica): A. Una carica di 1C che attraversa una d.d.p. di 1V acquista una energia cinetica Ek = q V = 1 Joule B. Una carica elementare e che attraversa una d.d.p. di 1V acquista una energia cinetica Ek = e V = 1,610-19 Joule = 1 eV eV = elettronvolt (unità di misura pratica per l’energia) 1 eV = 1,610-19 Joule Capacità e condensatori Quanta carica Q deve essere trasportata da B ad A per avere una d.d.p. V ? Dipende da: • geometria ; • materiale che separa A da B. A ++++++++++ +Q ++++++++++ B ---------- -Q ---------- Capacità elettrica C: Q C V Unità di misura (S.I.): Farad (F) = Coulomb/Volt (F = 10-6 F, nF=10-9 F, pF=10-12 F) Nota: - occorre compiere lavoro per caricare le due piastre A e B; - l’energia è accumulata sotto forma di campo elettrico; - l’energia accumulata può essere utilizzata successivamente. Condensatore Condensatore: due superfici conduttrici separate da un materiale isolante. “serbatoio” di energia elettrica utilizzato nei circuiti elettrici (simbolo ) Nota: le membrane cellulari si comportano come un condensatore !! capacità C pF (10-12 F) Ricapitolando ..... • Cariche elettriche si muovono sotto l’azione di una differenza di potenziale elettrico V: • nel vuoto (es. elettroni nei tubi catodici della TV) • nei metalli (elettroni) • nelle soluzioni elettrolitiche (ioni) • La differenza di potenziale è fornita da generatori elettrici che compiono lavoro trasportando cariche elettriche da potenziali inferiori a potenziali superiori: • pile (energia chimica) • dinamo, alternatore (energia meccanica) • Se una carica q attraversa una d.d.p. V, l’energia potenziale elettrica U = q·V si trasforma in • nel vuoto: in energia cinetica della carica q; • nei circuiti elettrici: calore, lavoro, .... (vedi più avanti....) Corrente Elettrica Rappresenta un flusso di cariche che si muovono in un mezzo: cariche positive verso punti a potenziale minore cariche negative verso punti a potenziale maggiore Esempio: filo metallico (VA>VB) -- A + Intensità di corrente: q i t -- - B carica che attraversa una sezione del filo in un intervallo di tempo t intervallo di tempo t • Unità di misura (S.I.) : 1 Ampère (A) = 1 Coulomb/secondo (1 Ampere = 6.25 1018 elettroni/s !! ) • Corrente positiva A + - + - + - Corrente negativa B A - • i costante nel tempo corrente continua + - + - + B Leggi di Ohm VA VB V R i i l R S Conduttore (es. filo metallico) l B A S VA - VB R = resistenza elettrica del conduttore • Unità di misura (S.I.) : 1 Ohm () = 1 Volt/Ampère = resistività o resistenza specifica • Unità di misura (S.I.) : Ohm·m (unità pratica: Ohm·cm); • Quantità caratteristica dal materiale; • Dipende dalla temperatura. classe sostanze (20°C) ohm cm argento .................................... 1.62 10–6 rame ......................................... 0.17 10–5 alluminio ................................ 0.28 10–5 ferro ......................................... 1.10 10–5 mercurio .................................. 9.60 10–5 KCl (C=0.1 osmoli) ................ 85.4 conduttori liquido interstiziale ................ 60 elettrolitici siero (25°C) ............................. 83.33 liquido cerebrospinale (18°C) 84.03 assoplasma di assone ............ 200 semiconduttori germanio ............................... 1.08 silicio ..................................... 100 isolanti alcool etilico ........................ 3 105 acqua bidistillata ................ 5 105 membrana di assone ......... 109 vetro .................................... 1013 conduttori metallici Esempio: Una fibra nervosa (assone) può essere approssimata con un conduttore cilindrico di sezione S=10-4 mm2 e resistività ρ=2 Ω·m. Si calcoli la resistenza elettrica di un assone di lunghezza l=20 cm. R. R 0.4 1010 Circuiti elettrici i Generatore di tensione (o forza elettromotrice) es. pila, dinamo,.... + V Resistenza elettrica R - es. lampadina, stufa, scaldabagno,... V R i i Resistenze in serie Resistenze in parallelo R R1 R2 1 1 1 R R1 R2 Esempio: Una batteria da 9 V è collegata ad un circuito composto da due resistenze R1=2,5 kΩ ed R2=0,5 kΩ disposte in serie. Calcolare l’intensità di corrente che circola nel circuito. R. i 3 mA Impianto elettrico domestico Utilizzatori: stufe, lampadine, elettrodomestici in parallelo Generatore di tensione alternata frequenza = 50 Hz VMAX = 310 V VEFF = VMAX /2 = 220 V Potenza elettrica i Lavoro compiuto dalle forze elettriche per portare una quantità di carica q da A a B: LAB q V + (J) V B i (W) In particolare, se tra A e B c’è una resistenza R ( 2 V W V i R i 2 R ? - La potenza elettrica è pertanto LAB q W V i V t t A ): Legge di Ohm l’energia cinetica degli e- è ceduta al reticolo molecolare del metallo: generazione di calore (effetto Joule) Nota: ENEL kW (Potenza max dell’impianto) kWh (“chilowattora”, energia elettrica consumata) Esempio: Utilizzando i dati dell’esercizio precedente (V = 9V, i = 3mA), calcolare a) la potenza elettrica sviluppata R. W 18 mW b) l’energia consumata dopo 15 minuti R. E 16.2 J Dissociazione elettrolitica Rottura del legame IONICO della molecola quando questa viene immersa in acqua esempio : NaCl in acqua Cl– Na+ Grado di dissociazione: esempio NaCl 100 molecole NaCl in H2O dissociazione 84 % 84 Na+ 84 Cl– 16 NaCl (non dissociate) 184 particelle Elettrolisi moto di ioni (q = Ze ) in soluzione ioni + ioni – elettrodo negativo (catodo K) elettrodo positivo (anodo A) – + G A A I+ S • passaggio di corrente E • liberazione in corrispondenza di anodo e catodo di sostanze che costituiscono il soluto (elettrolisi) • Esempio: cloro gassoso all’anodo cristalli di sodio al catodo B I– K Fenomeni magnetici Nord (N) La magnetite (Fe3O4) si orienta sempre nella direzione Nord-Sud Sud (S) Estremi omonimi si respingono Estremi eteronimi si attraggono Effetti magnetici possono essere indotti su oggetti non magnetizzati campo “induzione magnetica” B Correnti elettriche danno luogo a campi magnetici S N Elettromagnetismo Onde elettromagnetiche Unità di misura dell’induzione magnetica (S.I.): tesla (T) = 1 N/A·m