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CORSO DI FISICA Prof. Francesco Zampieri ELETTROSTATICA.

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Presentazione sul tema: "CORSO DI FISICA Prof. Francesco Zampieri ELETTROSTATICA."— Transcript della presentazione:

1 CORSO DI FISICA Prof. Francesco Zampieri ELETTROSTATICA

2 ELETTROSTATICA

3 Proprietà della forza elettrostatica per cariche in quiete Evidenze dei fenomeni elettrici. LelettrizzazioneEvidenze dei fenomeni elettrici. Lelettrizzazione Def. di carica elettrica e sua misuraDef. di carica elettrica e sua misura Forza elettrostaticaForza elettrostatica Campo e potenziale elettrostaticoCampo e potenziale elettrostatico

4 Il punto della situazione Concetto di INTERAZIONE = qualcosa che produce MOVIMENTO tramite FORZA Noi conosciamo, come forza ELEMENTARE, solo quella GRAVITAZIONALE m1m1 m2m2 r

5 E una forza PICCOLA, evidente solo su scala MACROSCOPICA Su scala microscopica, NON LA RISCONTRO con i miei sensi Es. due biglie, seppur dotate di massa, non manifestano apparentemente forze attrattive reciproche

6 TUTTAVIA: Esistono dei fenomeni per cui corpi di massa piccola (rispetto alla scala planetaria) dimostrano interazione a distanza Sono fenomeni già noti dallantichità

7 FENOMENI ELETTRICI ELEMENTARI Note dai tempi antichi (fin dal VI° s A.C.) le proprietà dell AMBRA Se strofinata con panno o pelle acquista proprietà di ATTIRARE briciole o piccole pagliuzze

8 Se strofiniamo con un panno (pelle di gatto!), una bacchetta di PLEXIGLAS, possiamo notare interazione con piccoli oggetti (anche i peli del braccio!) FENOMENO 1

9 STUDIAMO IL FENOMENO: I corpi coinvolti hanno una massa piccola, sebbene molto vicini. Lattrazione è comunque piccola e di BREVE DURATA! Linterazione è di tipo attrattivo, ma non può essere di origine gravitazionale! Più vicina è la bacchetta, maggiore è linterazione: questa forza di interazione deve dipendere dalla distanza!

10 MA SOPRATTUTTO: SE LA BACCHETTA NON E STATA STROFINATA, NON SI OSSERVA ALCUNA INTERAZIONE!!!! E il procedimento meccanico a conferire la facoltà di attrarre…

11 ELETTRIZZAZIONE = situazione per cui un corpo ha la facoltà di interagire con altri corpi, tramite questa nuova forza STROFINIO = procedimento che conferisce alla bacchetta la proprietà di interagire con altri corpi ELETTRICO = deriva da elektron, nome greco dellambra!

12 Anche altri corpi si elettrizzano per strofinio : BACHELITE, VETRO FENOMENO 2 Provo a strofinare bacchetta di vetro Noto ancora proprietà di elettrizzazione, ma sono più deboli (dipende anche dallumidità dellaria)

13 FENOMENO 3 COSA ACCADE X IL METALLO? NON RILEVO ELETTR., anche se lo strofino a lungo ed energicamente NON TUTTI I CORPI SI ELETTRIZZANO PER STROFINIO

14 COME RILEVARE LELETTRIZZAZIONE? Strofinate le bacchette, devo avere dei corpi da attrarre ELETTROSCOPIO A FOGLIE Ampolla sottovuoto con due fogli metallici e pomello metallico

15 Si nota che se elettrizzo per strofinio la bacchetta di plastica e la pongo a contatto col pomello, le foglie dello strumento DIVERGONO In condizioni di equilibrio, le foglie sono in basso. Se la bacchetta non è strofinata, le foglie non si muovono

16 La divergenza delle foglie è proporzionale alla durata dello strofinio POSSO USARE LO STRUMENTO PER RILEVARE ELETTRIZZAZ. E ANCHE PER UNA STIMA QUALITATIVA! REPULSIONE FRA LE FOGLIE per effetto di cosa? DA SPIEGARE: VANTAGGI: Posso anche rilevare piccole entità di elettrizzazione

17 SVANTAGGI Nuovi fenomeni da spiegare! Entità di una forza che è repulsiva fra le foglie Allora la forza di interazione può anche essere repulsiva Le foglie interagiscono pur non essendo state strofinate Lo strofinio non è lunico meccanismo di elettrizzazione

18 FENOMENO 4 UNA BACCHETTA di plastica EL. PER STROFINIO VIENE MESSA A CONTATTO CON UN POMELLO METALLICO SI ELETTRIZZA IL POMELLO!! EL. X CONTATTO

19 CIO E EVIDENTE CON IL SEGUENTE APPARATO Bacch. plastica el. a contatto Supporto metallico Elettroscopio che diverge

20 ALTRO MECCANISMO DI ELETTRIZZAZIONE!!! CONTATTO Non tutti i corpi si elettrizzano per contatto (es. vetro se messa a contatto con resina strofinata non si elettrizza) Pongo a contatto corpo elettrizzato 1 con uno non elettrizzato 2 anche 2 acquista proprietà di elettrizzazione 1 2

21 INDUZIONE Metodo per dare elettrizzazione a distanza Le foglie divergono Bacchetta di plastica strofinata Avvicinata a pomello metallico Si verifica SOLO per corpi che si elettrizzano anche per contatto FENOMENO 7 NON SERVE IL CONTATTO!!

22 Suddivisione dei corpi a riguardo delle propr. elettriche CORPI CONDUTTORI : si elettrizzano solo per contatto/induzione ma non per strofinio [METALLI] ISOLANTI : si elettrizzano solo per strofinio ma non per induzione/contatto [vetro e plastica]

23 FENOMENO 8 CARATTERE DUALISTICO DELLA FORZA: Da spiegare effetto attrattivo/repulsivo Ho a disposizione 2 bacchette di 2 diversi materiali Provo a porre una bacchetta ferma ed avvicinare laltra, elettrizzandole tutte e due

24 Bacchetta FISSABacchetta avvicinata EFFETTO BACHELITE REPULSIVO BACHELITEPLEXIGLASATTRATTIVO PLEXIGLAS REPULSIVO STESSO MATERIALE = REPULSIONE

25 ALLA RICERCA DI UN MODELLO… Posso pensare che lelettrizzazione dia una proprietà attrattiva/repulsiva a corpi carichi Linterazione avviene solo fra corpi precedentem. elettrizzati CARICA ELETTRICA VETROSA (+): quella che ha il vetro quando viene strofinato RESINOSA (–): quella che ha la resina strofinata CARICA ELETTRICA ELETTRIZZARE = comunicare una CARICA ELETTRICA

26 ELETTRIZZARE UN CORPO SIGNIFICA DARGLI UNA QUANTITA DI CARICA + o – 2 corpi con stesso tipo di carica si respingono 2 corpi con diverso tipo di carica si attraggono

27 SPIEGAZIONE DELLELETTRIZZAZIONE STROFINIO comunicazione di carica da parte del corpo strofinante CONTATTO la carica data per strofinio viene trasferita al corpo toccato (che si carica DELLO STESSO SEGNO!) INDUZIONE il pomello si carica perché la carica si trasmette al mezzo. Le foglie divergono perché cariche dello stesso segno

28 SPIEGAZIONE MICROSCOPICA Originariamente si pensava che le cariche fossero un FLUIDO comunicato da un corpo allaltro (Franklin, sec. XVIII) Poi si capì che le cariche elettriche sono presenti GIA nella materia a livello di PARTICELLE SUBATOMICHE

29 CHIMICA/FISICA (termodinamica) NATURA partic. subatomiche Materia composta, su scala microsc., da ATOMI aventi una propria struttura (compresa a fondo solo nel XX sec) NUCLEO + shell elettroni e – Ma come si è arrivati?

30 Filamento incandescente Lastra fotografica (THOMSON, 1897) Fasci deviati da magnete

31 LA CARICA ELETTRICA E GIA PRESENTE ALLINTERNO DELLA MATERIA!!! MODELLO ATOMICO DI THOMSON PLUM PUDDING o modello uvetta nel panettone Distribuzione continua di carica + e cariche - incastonate

32 Le cariche – furono chiamate ELETTRONI Thomson misurò la loro carica specifica (rapporto carica/massa) Sono particelle piccolissime, con m minore di quella dellatomo di idrogeno

33 MODELLO DI THOMSON MESSO IN CRISI DA OSSERVAZIONI SPETTROSCOPIA ATOMICA ESPERIMENTO DI RUTHEFORD (1909)

34 Luce entra da fenditura e viene dispersa SPETTROGRAFO

35 EVIDENZA DELE RIGHE SPETTRALI

36 LE RIGHE SONO EMESSE DA VIBRAZIONE DELLE CARICHE Tuttavia, le emesse ed osservate sperimentalmente non sono compatibili con quelle calcolabili dal modello di Thomson Max = diametro atomico delloscillazione troppo corto, darebbe spettri nell UV!

37

38 NUCLEO: addensamento di carica positiva (protoni) SHELL: elettroni (carica negativa) In condizioni normali: N° + = N° – = Z (numero atomico, che dà proprietà dellatomo) ATOMO NEUTRO: non manifesta le proprietà elettriche MODEELLO PLANETARIO DI RUTHEFORD

39 Gli elettroni sono legati al nucleo, in maniera inversam. prop al quadrato della distanza POSSONO ESSERE STRAPPATI IONIZZAZIONE Nucleo e–e– e–e– e–e–

40 Perdita e – si ha sbilanciamento carica el. globale dellatomo che diviene CARICO POSITIVAMENTE [ione + o catione] Es. Fe Fe + + e – Se un atomo acquista elettroni, globalmente sarà CARICO NEGATIVAMENTE [ione – o anione] Es. Cl + e – Cl – Può essere attratto da uno ione Na+ e formare sale da cucina!

41 SPIEGAZIONE DELLELETTRIZZAZIONE STROFINIO: azione meccanica che toglie elettroni ad un corpo e li aggiunge ad un altro (passaggio di elettroni) CONTATTO: trasferimento di cariche da corpo carico a corpo scarico conduttore (ho sempre el. stesso tipo!) INDUZIONE: le cariche positive vengono richiamate verso la distribuzione di cariche negative (separazione di cariche possibile solo per i conduttori)

42 FORZA ELETTROSTATICA Abbiamo detto che fra due cariche stesso segno si ha una FORZA REPULSIVA e fra cariche di segno opposto una forza ATTRATTIVA 1)Dipendente dalla distanza (dip. inverso quadrato) 2)Dipendente dallentità delle cariche 3)Dipendente dal mezzo in cui le cariche sono inserite (più schermata negli isolanti) CARATT.

43 FORZA DI COULOMB Si esercita tra due cariche elettriche q 1 e q 2 a distanza r K dipende dal mezzo interposto q1q1 q2q2 r

44 MISURAZIONE DELLE CARICHE Esp. di Millikan: mostra che q è sempre multiplo intero della carica elementare, che è quella dellelettrone q = ne – Nel S.I.: [q] = COULOMB C Come si definisce la carica di 1C? Non può essere la carica dellelettrone!

45 In genere le cariche nelle condizioni usuali sono piccole e non danno forze intense 1C è la carica di due corpi che a distanza di 1m interagiscono con una forza di N Così definisco

46 0 COSTANTE DIELETTRICA DEL VUOTO Dipendenza dal mezzo in cui sono poste le cariche Se non ho il vuoto? La forza risulta SCHERMATA (minore) Costante dielettica relativa : mi dice di quanto è più intensa la forza nel vuoto rispetto a quella risentita nel mezzo Capiamo meglio!

47 vuoto r q1q1 +F –F q2q2 + – materia q2q2 q1q1 – – – – – – – – – – – – +F –F + – Due cariche interagiscono con una certa forza nel vuoto Le stesse due cariche interagiscono con una forza MINORE in un mezzo vuoto

48 La costante dielettrica relativa dipende DAL MEZZO Il suo valore mi divide i corpi in buoni/cattivi conduttori Mezzo dielettricoCostante dielettrica relativa Aria secca (alla pressione di 1 [bar])1,0006 Acqua pura81,07 Olio minerale 2,2 2,5 Olio per trasformatori 2 2,5 Bachelite 5,5 8,5 Carta comune2 Carta paraffinata 2,5 4 Gomma 2,2 2,5 Mica 6 8 Polietilene2,3 Porcellana 4 7 Vetro 6 8 Ossido di titanio La costante dielettrica mi dice DI QUANTO è più grande la F vuoto rispetto a F mezzo

49 PRINCIPIO DI SOVRAPPOSIZIONE F el è un vettore e quindi ha le propr. di una grand. vett. IN PARTICOLARE: F el è ADDITTIVA q1q1 q2q2 Q F q2-Q F q1-Q F ris

50 IL CAMPO ELETTRICO Se in un punto dello spazio pongo carica Q (puntiforme), essa eserciterà la forza F Q SU QUALSIASI ALTRA CARICA presente nelle vicinanze F Q è una forza a distanza che secondo la fisica classica si manifesta ISTANTANEAMENTE anche se q subente è a distanza enorme! Q sorgenteq subente

51 Abbastanza strano! CI DEVE ESSERE UN MEDIATORE tra sorgente e subente che rende istantanea la propagazione della perturbazione CAMPO ELETTRICO E Questo mediatore è il CAMPO ELETTRICO E Q sorgente CAMPO E q subente

52 Si può allora pensare che OGNI CARICA Q CREA NELLO SPAZIO un CAMPO ELETTRICO E Come mi accorgo della presenza di E? E è sempre generato da una carica sorgente in un punto P, ma se non ho unaltra carica non me ne posso accorgere uso cavia! CARICA DI PROVA o ESPLORATRICE: una carica che vale +1C Essa subirà una forza per effetto di Q (e quindi del campo elettrico provocato/generato da Q)

53 DUPLICE ACCEZIONE DEL CONCETTO DI CAMPO E Proprietà secondo cui una regione dello spazio è influenzata dalla presenza di Q (possibilità di rilevare la sua presenza con +1C) Forza risentita… da +1C! [def. operativa]

54 DEFINIZIONE OPERATIVA di campo FORZA subita dalla carica di prova +1C posta in un preciso punto di una regione dello spazio in cui è presente una carica sorgente +1C Q P F = E Se non ho carica di prova ma q, allora E = F/q [E]= N/C

55 CAMPO ELETTROSTATICO F = 1 4 o r q Q r2r2 r q unitaria positiva (cariche elettriche puntiformi) E = F q 1 4 o r E = Q r2r2 r newton coulomb –1 (N C –1 ) unità di misura S.I. +Q +q E E +q –Q

56 UNIFORME Se E è lo stesso al variare del P in cui posiziono +1C, si dice UNIFORME Un E uniforme è quello prodotto da due lamine metalliche a piccola distanza, caricate per induzione – – – – – – –

57 E ovvio che E dipende DAL PUNTO P in cui posiziono +1C (visto che nella sua def. cè r) QP1P1 P2P2 P3P3 Se cambia il punto, cambia il vettore E

58 POTENZIALE ELETTROSTATICO Colloco +1C in un punto P di una regione sede di E Che LAVORO si compie per portare +1C allinfinito (in modo che non risenta più di E?) POTENZIALE ELETTROST. IN P L P- = V P, POTENZIALE ELETTROST. IN P

59 Nel punto P a distanza r dalla sorgente del campo si dimostra che [POT. Generato da carica puntiforme] È il CAMPO EMA

60 DIFFERENZA DI POTENZIALE Se voglio spostare +1C da A a B [al finito!], rispettivamente a distanza r A e r B dalla sorgente, ho la DIFFERENZA DI POTENZIALE (ddp) V A,B = V B –V A = E B ·r B –E A · r A

61 Se il campo elettrico E è uniforme, la differenza di potenziale per spostamento della carica di prova, vale: V A,B = E s S = AB – – – – – – – s AB E

62 MISURA DELLA DDP Supponiamo che E sia uniforme V = E·s [V] = [E]· m = N/C · m = VOLT (V) DDP di 1V = quando il lavoro per portare la carica di prova a 1m di distanza sotto un campo elettrico uniforme di 1N/m vale 1J Spesso, i campi elettrici uniformi, di conseguenza, si misurano in V/m

63 Se ho una carica q anziché quella di prova, il lavoro per spostarla da un punto P allinfinito si definisce ENERGIA POTENZIALE ELETTROSTATICA U P = q ·V P r q

64 CAMPO GRAVITAZIONALE M è la sorgente del campo, r la distanza fra m (subente) e la sorgente CAMPO ELETTRICO F = mg se ho pot. grav. terrestre Q è la sorgente del c. el. F c = qE UN CONFRONTO…

65 (cariche elettriche puntiformi) Q q A B C D rBrB rArA L = L ABCD = L AB + L BC + L CD + L DA L AB 4 o r q Q rArA 1 – = rBrB 1 = - L CD L BC = L DA = 0 } L ABCD = 0 SI, perchè il lavoro lungo una traiettoria chiusa è nullo Il campo grav. è conservativo: lo è anche E?


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