La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

1. Cariche elettriche e forze elettrostatiche In natura esistono 4 tipi di forze fondamentali: Interazione gravitazionale: moto planetario, moto dei corpi.

Presentazioni simili


Presentazione sul tema: "1. Cariche elettriche e forze elettrostatiche In natura esistono 4 tipi di forze fondamentali: Interazione gravitazionale: moto planetario, moto dei corpi."— Transcript della presentazione:

1 1. Cariche elettriche e forze elettrostatiche In natura esistono 4 tipi di forze fondamentali: Interazione gravitazionale: moto planetario, moto dei corpi celesti e delle galassie, caduta dei corpi nel campo gravitazionale. Interazione Elettromagnetica: forze di contatto, f. di attrito, tensione superficiale, f. delle molle, f. di coesione, f. di adesione …. Interazione Debole: responsabile del decadimento radioattivo,, sono nuclei di elio 4 2 He; emissione di un elettrone o di un positrone; sono fotoni di alta energia. Interazione Forte: responsabile delle reazioni nucleari.

2 Elettrostatica In queste lezioni ci occuperemo dei fenomeni elettromagnetici. Inizieremo, come sempre, dalle situazioni più semplici, cioè dallelettrostatica: le cariche elettriche che interagiscono tra loro sono ferme. Sin dallantichità era noto che lambra strofinata con la pelliccia di un animale acquista la proprietà di attirare corpi leggeri. (Talete di Mileto a.C.) Non solo lambra ma anche altri corpi strofinati acquistano la proprietà di attrarre corpi leggeri, cioè si ELETTRIZZANO (per strofinio): vetro con la seta, ebanite, plastica, …… Elettricità deriva dal greco elektron = ambra

3 Elettrostatica Quanti tipi di elettrizzazione esistono? Due bacchette di ambra elettrizzate, strofinandole con una pelliccia, si respingono Analogamente elettrizzando due bacchette di vetro e avvicinandole noteremo che esse si respingono.

4 Elettrostatica Avvicinando invece una bacchetta di ambra elettrizzata ad una di vetro elettrizzata osserveremo che le due bacchette si attraggono. Ambra con Ambra > forza Repulsiva Vetro con Vetro > forza Repulsiva Ambra con Vetro > forza Attrattiva Allora, i corpi elettrizzati allo stesso modo, ambra-ambra, vetro-vetro ….., si respingono

5 Elettrostatica Ambra con Vetro > forza Attrattiva Corpi elettrizzati in modo diverso, ambra-vetro, si attraggono Qualunque altro corpo o si elettrizza come lambra (la respinge) o si elettrizza come il vetro (lo respinge). Allora esistono due sole modalità di elettrizzazione: come lAmbra: elettrizzazione NEGATIVA come il Vetro: elettrizzazione POSITIVA

6 Elettrostatica - la carica elettrica Diremo che lebanite, che si elettrizza negativamente, possiede carica negativa Il vetro, che si elettrizza positivamente, possiede carica positiva + Allora cariche dello stesso segno si respingono e cariche di segno contrario si attraggono. + + oppure ===> Forza REPULSIVA + ===> Forza ATTRATTIVA

7 Elettrizzazione per Strofinio - Elettrostatica Ob. Spiegare lelettrizzazione dellebanite e del vetro in seguito allo strofinio. Tutti i corpi sono formati da atomi. Gli atomi sono formati da un nucleo costituito da protoni, carichi positivamente, e da neutroni privi di carica. Attorno al nucleo ruotano gli elettroni che sono carichi negativamente. elettroni protoni neutroni

8 Elettrizzazione per Strofinio - Elettrostatica LElettrone ha carica e = 1, C e massa m e = 9, kg Il Protone ha carica e = + 1, C e massa m p = 1, kg Il Neutrone è privo di carica ed ha una massa m n = 1, kg elettroniprotoni neutroni Diametro dellatomo compreso tra m e m Diametro del nucleo dellordine di m

9 In condizioni normali il numero di protoni è uguale al numero degli elettroni per cui la carica totale dellatomo è zero, latomo risulta elettricamente neutro. Atomo didrogeno H - 1 protone e 1 elettrone carica totale = e + (- e) = 0 C Elettrizzazione per Strofinio - Elettrostatica Tuttavia gli elettroni più esterni possono passare da un atomo allaltro dello stesso elemento o di elementi diversi (es. legame ionico e covalente)

10 Atomo di Elio He - 2 protoni, 2 neutroni e 2 elettroni carica totale = 2e + 2(-e) = 0 C Elettrizzazione per Strofinio - Elettrostatica Atomo di Litio Li - 3 protoni, 4 neutroni e 3 elettroni carica totale = 3e + 3(-e) = 0 C

11 Se adesso strofiniamo un corpo, es. lambra, con una pelliccia alcuni elettroni passano dalla pelliccia allambra. Lambra assume carica negativa e la pelliccia, avendo un eccesso di protoni, carica positiva. Elettrizzazione per Strofinio - Elettrostatica Analogamente strofinando il vetro con la seta si verifica uno spostamento di elettroni dal vetro alla seta. La seta si carica negativamente e il vetro (avendo un eccesso di protoni) positivamente.

12 Principio di quantizzazione della carica La carica del protone o dellelettrone sono cariche elementari cioè sono le più piccole possibili e non sono divisibili. Ogni altra carica è multipla della carica elementare, cioè qualunque altra carica è del tipo Q = n ( e) con n numero naturale Elettrostatica

13 Polarizzazione - Elettrostatica Come mai anche piccoli oggetti neutri vengono attratti da un corpo carico?. Dobbiamo distinguere tra corpi isolanti e corpi conduttori Negli Isolanti il fenomeno è dovuto alla polarizzazione. Polarizzazione per deformazione: gli atomi più vicini alla superficie dellisolante, sotto lazione di un corpo carico, si deformano in seguito allo stiramento delle orbite degli elettroni. Atomo normale Atomo polarizzato

14 Polarizzazione - Elettrostatica Se avviciniamo ad un isolante neutro una sbarretta carica positivamente, gli atomi del corpo si deformano sotto lazione della carica esterna, gli elettroni sono attratti dalla sbarretta e i protoni ne sono respinti. Si forma uno strato di carica negativa sulla superficie del corpo neutro affacciata alla sbarretta positiva carica di polarizzazionee uno strato di carica positiva sul lato opposto. La sbarretta e il corpo si attraggono.

15 2. Isolanti e Conduttori - Elettrostatica Isolanti o Dielettrici. Sono i corpi in cui la carica elettrica rimane localizzata nella zona in cui è stata prodotta, le cariche non possono muoversi nel corpo. Negli isolanti gli elettroni sono legati al nucleo da cui non riescono a staccarsi o se ne staccano in numero molto limitato. Esempi: ambra, vetro, legno, ceramica, materie plastiche in genere, ….. Conduttori. Nei conduttori la carica elettrica prodotta o fornita in un punto può muoversi liberamente in tutto il corpo. Allora si distribuisce su tutta la superficie perché le cariche dello stesso segno respingendosi si portano il più lontano possibile. Nei conduttori gli elettroni più esterni non sono vincolati al nucleo per cui riescono a sfuggire con estrema facilità (elettroni di conduzione). Esempi: ferro, rame, argento, in genere tutti metalli.

16 3. La legge di Coulomb - Elettrostatica Quanto è intensa la forza con cui interagiscono le cariche elettriche? + + oppure ===> Forza REPULSIVA + ===> Forza ATTRATTIVA ++ R q1q1 F 21 F 12 q2q2 R q1q1 F 21 F 12 q2q2 + R q1q1 F 21 F 12 q2q2

17 La legge di Coulomb - Elettrostatica Lo studio sperimentale della forza dinterazione tra le cariche, fatto da Coulomb ( ), prova che F è direttamente proporzionale al prodotto delle cariche q 1 q 2 inversamente proporzionale al quadrato della distanza R 2 e dipende da un coeff. di proporzionalità k. ++ R q1q1 F 21 F 12 q2q2 La determinazione della forza fu ottenuta per via sperimentale mediante la bilancia di torsione, apparecchiatura inventata da Coulomb. (Cavendish nel 1798 utilizzò lo stesso strumento per misurare la forza di attrazione tra masse per la verifica sperimentale della legge di gravitazione universale)

18 F q 1 q 2 F 1/R 2 F dipende dal mezzo nel quale sono immerse le cariche La legge di Coulomb - Elettrostatica La bilancia di torsione. La forza con cui interagiscono le cariche si calcola misurando langolo di rotazione del bilanciere che si ferma quando il momento determinato dalla forza elettrostatica è uguagliato dal momento di torsione del filo.

19 Legge di Coulomb: La forza con cui interagiscono due cariche puntiformi è diretta lungo la retta congiungente le due cariche, è repulsiva se le cariche sono concordi, attrattiva se sono discordi, è direttamente proporzionale al prodotto delle cariche q 1 q 2, inversamente proporzionale al quadrato della distanza R 2 e dipende dal dielettrico. k = 8, Nm 2 /C 2 costante di Coulomb nel vuoto La legge di Coulomb - Elettrostatica

20 Nel sistema internazionale S. I. lunità di misura fondamentale per lelettricità è lampere A che è una misura di corrente. Per il momento useremo lunità di misura per la carica il coulomb (simbolo C) come se fosse fondamentale. 1 coulomb = carica che posta alla distanza di 1 m da una carica uguale la respinge (nel vuoto) con la forza di newton ++ 1 m 1 C F = N 1 C F = N

21 La legge di Coulomb - Elettrostatica La costante k può essere espressa nella forma Dove 0 = 8, C 2 /(N m 2 ) costante dielettrica del vuoto Per cui la forza dinterazione elettrostatica può essere scritta anche in questo modo:

22 La legge di Coulomb - Elettrostatica Se le cariche si trovano in un dielettrico vuoto la forza F con cui esse interagiscono è inferiore alla forza F 0 che si avrebbe nel vuoto. F < F 0 Ciò è dovuto agli effetti della polarizzazione del dielettrico interposto. Il rapporto F 0 / F = r > 1 è costante e caratteristico del dielettrico r costante dielettrica relativa del mezzo Quindi, la forza dinterazione elettrostatica in un dielettrico è data da:

23 La legge di Coulomb - Elettrostatica Valori della costante dielettrica relativa di alcune sostanze Dielettrico r Aria (a 1 atm) 1,00059 Idrogeno (a 1 atm) 1,00026 Alcool 25 Acqua 80 Petrolio 2,1 Glicerina 42,5 Ebanite 2 Vetro 5 – 10 Plexiglas 3,40 Paraffina 2,1

24 La legge di Coulomb - Elettrostatica La legge di Coulomb e la legge di Newton della gravitazione universale hanno la stessa forma: Vediamo le analogie e le differenze: AnalogieDifferenze entrambe diminuiscono col quadrato delle distanza entrambe sono direttamente proporzionali rispettivamente al prodotto delle cariche e al prodotto delle masse. forza gravitazionale è solo attrattiva forza elettrostatica può essere attrattiva o repulsiva. ordine di grandezza determinato dalle costanti è notevolmente diverso: k = 8, Nm 2 /C 2 G = 6, Nm 2 /Kg 2

25 La legge di Coulomb - Elettrostatica Esempio Lelettrone si muove su unorbita circolare intorno al protone fermo. La forza responsabile del moto circolare dellelettrone è la forza di attrazione tra protone ed elettrone. Dato che il raggio dellorbita dellelettrone è 5, m, che la massa dellelettrone è 9, kg, la massa del protone è 1, kg calcolare il rapporto tra forza elettrostatica e gravitazionale e la velocità dellelettrone. Calcoliamo la forza dinterazione elettrostatica tra elettrone e protone:

26 La legge di Coulomb - Elettrostatica Calcoliamo la forza dinterazione gravitazionale tra elettrone e protone: Calcoliamo il rapporto tra le due forze:

27 La legge di Coulomb - Elettrostatica Oss. Linterazione elettrostatica è enormemente più grande della forza gravitazionale, per cui, a livello atomico le forze gravitazionali sono assolutamente irrilevanti. Non così a livello astronomico dove è predominante la forza gravitazionale: - i corpi nel loro complesso sono neutri per cui la forza elettrostatica non ha alcun effetto. - le masse sono molto grandi. Calcoliamo la velocità con cui lelettrone ruota attorno al nucleo. Poiché la forza centripeta è data dalla forza elettrostatica avremo che:

28 La legge di Coulomb - Elettrostatica Da cui si ottiene che v = 2, m/s = 7, km/h

29 Principio di Sovrapposizione - Elettrostatica Supponiamo di avere un sistema formato da quattro cariche puntiformi: q 1, q 2, q 3, q 4 (fig.). Vogliamo calcolare (per esempio) la forza che agisce sulla carica q 2 dovuta alla sua interazione con le altre tre cariche. Come determinare la forza dinterazione quando le cariche elettriche sono più di due?

30 Principio di Sovrapposizione - Elettrostatica Determiniamo le forze: F 21 dovuta allinterazione tra le cariche 1 e 2, F 23 interazione tra le cariche 2 e 3, F 24 dovuta allinterazione tra le cariche 2 e 4. F 21 F 24 F 23

31 Principio di Sovrapposizione - Elettrostatica La forza risultante F 2 su q 2 è la somma vettoriale delle forze F 21, F 23, F 24. Principio di sovrapposizione: La forza risultante F che agisce su una carica q, a causa dellinterazione con altre cariche, è la somma vettoriale delle forze che ciascuna altra carica, presa singolarmente, esercita su q.

32 Principio di Sovrapposizione - Elettrostatica Supponiamo di avere un filo carico con carica totale Q (fig.). Vogliamo calcolare la forza che il filo esercita sulla carica puntiforme q. E se la distribuzione di carica non è discreta ma continua quale sarà la forza risultante su una carica q? Densità lineare di carica è la carica per unità di lunghezza: = Q/L (C/m) cioè, carica totale del filo diviso la sua lunghezza.

33 Principio di Sovrapposizione - Elettrostatica Per calcolare la forza risultante su q divideremo il filo in tanti piccoli tratti ciascuno del quali si possa considerare come puntiforme, considereremo la forza che ciascuno di tali tratti esercita su q, quindi determineremo la somma vettoriale di tali forze. Tale somma costituisce la forza risultante su q.

34 Principio di Sovrapposizione - Elettrostatica

35 Structure of Matter Fundamental building blocks of the matter are atoms

36 Structure of Matter Neutral atom – electron = Positive ion

37 Prof Biasco 2006 Structure of Matter Fundamental building blocks of the matter are atoms

38 Prof Biasco 2006 Structure of Matter Neutral atom + electron = negative ion

39 Prof Biasco 2006 ELECTRICALLY CHARGING OBJECTS

40 Prof Biasco 2006 ELECTRICALLY CHARGING OBJECTS

41 Prof Biasco 2006 ELECTRICALLY CHARGING OBJECTS

42 Prof Biasco 2006 In metals outer atomic electrons are not bound to any atoms (electron see). Charging by Induction

43 Prof Biasco 2006 Charging by Induction In metals outer atomic electrons are not bound to any atoms (electron see)

44 Prof Biasco 2006 Charging by Induction

45 Prof Biasco 2006 Same atoms have weakly bound electrons. Electric Polarization

46 Prof Biasco 2006 Electric Polarization Same atoms have weakly bound electrons

47 Prof Biasco 2006 Electric Polarization


Scaricare ppt "1. Cariche elettriche e forze elettrostatiche In natura esistono 4 tipi di forze fondamentali: Interazione gravitazionale: moto planetario, moto dei corpi."

Presentazioni simili


Annunci Google