Elettromagnetismo - appunti vari

Materie:Appunti
Categoria:Fisica

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Testo

L’ELETTROMAGNETISMO
Fino al 1700 di pensava che il concetto di elettricità e quello di magnetismo fossero due cose da studiare separatamente.
Nel 1820 ca Maxell ha teorizzato le leggi fondamentali dell’elettromagnetismo. La sua teoria si basa su due esperienze fondamentali:
1) Oersted insegnava in una un’università
• elettricità = proprietà dei corpi carichi
• magnetismo = proprietà dei corpi magnetici
• galbanismo = fenomeni legati a correnti elettriche

ESPERIMENTO
Prese un filo di rame e formò un circuito. Poi pose un aghetto magnetico perpendicolarmente al filo di rame. Facendo passare la corrente nel filo di rame non accadeva niente

Poi girò l’aghetto magnetico in modo che andasse nella stessa direzione del filo di rame. Appena si faceva passare della corrente attraverso il filo di rame l’aghetto si muoveva e ritornava alla posizione perpendicolare

CONCLUSIONE
Il passaggio di corrente elettrica provoca nello spazio circostante un campo magnetico

2) Faraday cominciò a fare esperimenti per approfondire gli studi sulla scoperta di Oersted. Presentò 12 esperienze relative alla sua scoperta

ESPERIMENTO
Prendo una bobina di materiale conduttore e collego i due estremi del filo ad un rilevatore di energia. Poi prendo una calamita.

Faccio passare la calamita all’interno della bobina e noto che lancetta del rilevatore di energia si muove. Ciò sta a significare che c’è un passaggio di corrente
CONCLUSIONE
Un campo magnetico è in grado di provocare energia
Grazie a queste due esperienze Maxell è stato in grado di formulare la sua ipotesi. Se il passaggio di corrente genera un campo magnetico e se un magnete in movimento genera corrente, elettricità e magnetismo sono in stretta connessione tra loro
QUANTITA’ DI ELETTRICITA’ E
LEGGE DI COULOMB
• L’elettrostatica è la parte della fisica che studia il comportamento di corpi carichi o di cariche in quiete.
• La parola elettricità deriva dal greco elektron che vuol dire ambra
• Ci sono tre tipi di elettrizzazione:
1. contatto
2. strofinio
3. induzione, che può essere completa o parziale
CONDUTTORI E ISOLANTI
1. I conduttori permettono alle cariche elettriche di fluire attraverso essi.
2. Gli isolanti non lasciano sfuggire le cariche elettriche
3. I semiconduttori hanno proprietà intermedie tra i conduttori e gli isolanti
Questa distinzione vale per i solidi, i liquidi e i gas.
Il diverso comportamento dei conduttori e degli isolanti ha origine dalla loro diversa struttura microscopica.
Prima di addentrarci particolarmente nella struttura di ogni gruppo è utile ricordare che l’atomo è formato da un nucleo (neutroni e protoni) e da elettroni che si muovono velocemente su delle orbite
I CONDUTTORI
Nei materiali conduttori gli elettroni lontani dal nucleo si staccano più facilmente rispetto a quelli vicini al nucleo.
Se ingrandiamo un filo di rame ci appare questa situazione:
FASCIA DI CONDUZIONE
• Ci sono tante cariche elettriche positive quante quelle negative.
• Gli elettroni che si trovano nella fascia di conduzione “saltano da una buca all’altra”
• La fascia di conduzione coincide con lo stato energetico più alto degli elettroni.
GLI ISOLANTI
Negli isolanti non avviene quanto descritto nei conduttori perché gli elettroni sono molto legati ai nuclei e difficilmente se ne allontanano. Il legame che li caratterizza è un legame covalente
I SEMICONDUTTORI
A B
A determinate temperature (+ 20°C) accade che un elettrone dell’atomo A si scambia con un elettrone dell’atomo B. Sotto i 20°C i semiconduttori sono isolanti.
I SEMICONDUTTORI DROGATI
Per avere elettroni di conduzione si drogano i semiconduttori in due modi:
1° modo) Si aggiungono atomi di un elemento diverso con valenza maggiore

Avanza un elettrone, in grado di muoversi e quindi di trasportare energia
2° modo) Si aggiungono atomi di un elemento diverso con valenza minore
Avanza un elettrone, in grado di muoversi e quindi di trasportare energia
ELETTRIZZAZIONE PER STROFINIO
ESPERIMENTO
• Prendiamo quattro bacchette: due di vetro e due di plastica.
• Strofiniamo con un panno di lana le due bacchette e osserviamo che:
• se le due bacchette sono entrambe di vetro o entrambe di plastica, queste si respingono
• se una bacchetta è di vetro e l’altra è di plastica, queste si attraggono
SPIEGAZIONE
• Possiamo spiegare questo fenomeno facendo l’ipotesi che esistano due tipi di elettricità. Li chiamiamo elettricità positiva ed elettricità negativa. I nomi “positivo” e “negativo” sono del tutto convenzionali e non nascondono alcun significato profondo.
• I risultati delle due esperienze possono essere così riassunti:
due corpi elettricamente carichi si respingono se le cariche da essi possedute sono dello stesso tipo e si attraggono se le cariche sono di tipo diverso.
DA DOVE VENGONO LE CARICHE ELETTRICHE?
Ci sono due ipotesi:
1. nascono dal nulla nel momento stesso in cui si strofinano i due corpi
2. esistono già prima che si strofinano i due corpi, nascoste dentro la materia
La scoperta dell’elettrone (1800-1900) ha dato fondamento alla seconda ipotesi.

• particella carica negativamente
• si trova in tutte le sostanze
CONCLUSIONI
All’interno di un corpo neutro (privo di carica) esistono anche delle cariche positive che controbilanciano quelle negative.
Invece un corpo carico contiene un eccesso di cariche di un segno.
Durante lo strofinio c’è una migrazione di elettroni da un corpo all’altro. La plastica, che si carica negativamente, acquista elettroni, mentre la lana ne perde, diventando così positiva.
ELETTRIZZAZIONE PER CONTATTO
+ + + + +
+ + + +
+ + + +
+ + + + +
+ + + + +
isolante
ELETTRIZZAZIONE PER INDUZIONE
Ad un filo di seta è attaccata una pallina di sughero
Avvicino senza far toccare una pallina carica, per esempio positivamente. La pallina di sughero è attirata.
+ +
+
+ +
Quando le due palline si toccano la pallina di sughero oscilla dall’altro lato del pendolo, perché si è caricata della stessa carica dell’altra pallina; due cariche uguali si respingono.
+ + + +
+ + + +
+ + + +
Se voglio scaricare il pendolino lo devo semplicemente toccare.
OSSERVAZIONI
La terra è carica negativamente. Il pendolino si scarica perché gli elettroni della terra attirano quelli della pallina. Il corpo umano funge da conduttore
LA LEGGE DI COULOMB
E’ una legge di tipo sperimentale che spiega le interazioni tra corpi carichi. Per ricavarla è stato utilizzato lo stesso strumento usato da CAVENDISH per ricavare la legge di gravitazione. Lo strumento è il pendolo di torsione.
LA LEGGE DI GRAVITAZIONE
F1-2 F2-1
r
m1
m2
• F1-2 è la forza che agisce sul corpo di m1 perché attirato dal corpo di m2
• F2-1 è la forza che agisce sul corpo di m2 perché attirato dal corpo di m1
Queste due forze sono identiche
m1 m2
F = K ------------
r2
• F = intensità della forza attrattiva o repulsiva che ciascun dei due corpi esercita sull’altro
• m1 e m2 = massa dei corpi
• r = distanza tra i due corpi
OSSERVAZIONI
1. E’ una forza a distanza (interazione)
2. Le due forze non si annullano perché sono applicate su due corpi diversi (vale il principio di azione-reazione)
3. E’ una forza di tipo attrattivo
4. E’ una forza che agisce lungo le retta centrale, che cioè unisce i due centri
5. Essendo la forza inversamente proporzionale al quadrato della distanza, più diminuisce la distanza e maggiore è la forza
IL PENDOLO DI TORSIONE
a) Il pendolo di torsione è uno strumento con cui si misura la forza tra due sfere A e B cariche dello stesso segno. La sfera B è fissa e isolata elettricamente. La sfera A può invece ruotare. Essa è sospesa mediante un manubrio a un filo isolante ed è tenuta in equilibrio dalla sfera scarica D che fa da contrappeso.
b) Misurando l’angolo di rotazione del manubrio sulla scala graduata, si può risalire all’intensità della forza tra le due sfere cilindriche

LA LEGGE DI COULOMB
Q1Q2
F = k ---------
r2
• F = intensità della forza attrattiva o repulsiva che ciascun dei due corpi esercita sull’altro
• Q1 e Q2 = cariche elettriche dei corpi
• r = distanza tra i due corpi
• k = coefficiente di proporzionalità
OSSERVAZIONI
1) E’ una legge attrattiva o repulsiva; dipende dal segno delle due cariche
2) Le due forze non si annullano perché sono applicate su due corpi diversi (vale il principio di azione-reazione)
3) E’ una forza che agisce lungo le retta centrale, che cioè unisce i due centri
4) Essendo la forza inversamente proporzionale al quadrato della distanza, più diminuisce la distanza e maggiore è la forza
IL COEFFICIENTE DI PROPORZIONALITA’
F • r2
Ko = -------------
Q1 • Q2
Ko = 8.6 • 109 N m2
• --------
c2
Questo valore si è ricavato prendendo due cariche nel vuoto; ogni carica dal valore di 1C per una. Le due cariche erano alla distanza di 1 m. Si è così misurata la forza che le legava:
8.6 • 109 = Ko • 1
• K è importante perché a seconda del materiale con cui si ha a che fare si ha una certa interazione.
• Nell’aria e nell’acqua le forze sono minori perché ci sono delle particelle (positive, negative o neutre) che interagiscono.
STRUMENTI PER RILEVARE SE UN CORPO E’ CARICO
1) Il pendolino elettrostatico si può utilizzare per capire se ci sono le cariche, ma non dice quante cariche ci sono
2) L’elettroscopio a foglie
L’elettroscopio a foglie è uno strumento che serve per rilevare la carica elettrica.
Toccando il pomello in alto con un corpo carico le due foglie metalliche in basso si allontanano.
La carica acquisita per contatto dall’elettroscopio è arrivata in parte sulle foglie, che si caricano così dello stesso segno e quindi si respingono
L’elettroscopio consente anche di determinare se un corpo è un buon conduttore o un buon isolante. Dopo aver caricato l’elettroscopio, mettiamo a contatto della sua sfera metallica uno dopo l’altro i diversi corpi scarichi. Se dopo il contatto le foglie continuano a restare divaricate il corpo è isolante. Se si chiudono il corpo è conduttore.
Gli elettroni annullano le cariche positive della pallina. Nell’elettroscopio rimangono le cariche positive e le foglioline si allontanano.
PRINCIPALI CARATTERISTICHE DELLA CARICA ELETTRICA
1) Vale il principio di conservazione della carica

la carica di un sistema isolato rimane costante
atomo positivo Se la scatola rimane comple-
tamente isolata dall’ambiente
atomo negativo esterno la carica totale è O
Può anche arrivare un fotone
(“particella” di luce senza
massa) che divide un atomo,
ma da questo si formano tante parti-
celle positive, quanto negative (QTOT = 0)
2) quantizzazione della carica

attraverso l’esperienza di Millikan si è dimostrato che qualunque corpo carico ha un valore della carica che è sempre multiplo della carica dell’elettrone
1 e = 1.6 10-19 C
C = Couloub, cioè l’unità di misura della carica elettrica
DISTRIBUZIONE DELLE CARICHE
1) all’interno di un singolo corpo
+
+ +
+
Ogni punto della superficie si trova nella stessa situazione. Le cariche si dispongono in modo tale da essere simmetriche. Questo succede perché esse si respingono e si mettono alla massima distanza possibile, che è uguale per tutte.
Se la superficie di un conduttore non presenta irregolarità (sfera) la distribuzione di cariche è uniforme; le cariche si dispongono in modo simmetrico.
Questo succede quando il conduttore è in equilibrio termico, cioè quando le cariche sono ferme.
2) sfere uguali
+ + +
+
+ + +
Se le sfere sono uguali le cariche si distribuiscono in modo uniforme
3) sfere non uguali
+
+ +
+ +
+ +
+
Se le sfere non sono uguali, la carica non si ripartisce in modo uguale: le cariche vanno nel corpo più piccolo
+
+
+ +
+ +
+
+
4) effetto punta
• Immagina che il corpo irregolare sia formato da tante piccole sfere che hanno una parte di circonferenza coincidente con la circonferenza del corpo.
• Le cariche si distribuiscono in modo non uniforme e vanno a concentrarsi nelle sferette più piccole; quindi si avrà una concentrazione di cariche nelle curve più piccole.
IL PARAFULMINE
Il parafulmine si basa sull’effetto punta. Ecco come funziona:
• le nuvole si caricano per strofinio
• il parafulmine viene elettrizzato per induzione
• dalla terra arrivano gli elettroni
• le cariche si mettono sulla punta del parafulmine
• le cariche sono uguali e quindi si respingono
• le cariche sono a contatto con l’aria e quindi si crea un venticello elettronico
• c’è un passaggio di cariche che vengono scaricate a terra

Esempio