Fenomeni elettrici Legge di Coulomb Modello dell’atomo, carica elettrica, forza tra cariche stazionarie Campo elettrico e potenziale elettrostatico Campo elettrico, linee di forza, lavoro della forza elettrostatica, potenziale elettrostatico, condensatore Corrente elettrica Corrente continua, resistenza e legge di Ohm, potenza elettrica, correnti alternate, effetti sul corpo umano

Modello dell’atomo Es: Na - nucleo La stabilità del nucleo è assicurata da forze attrattive tra cariche elettriche di segno opposto - + + elettroni -e 9,1110-31 Elettrone 1,6710-27 Neutrone +e Protone carica el. massa (kg) nucleo nucleo Corpi carichi: negativamente  eccesso di elettroni positivamente  carenza di elettroni Corpi neutri: equilibrio tra cariche positive e cariche negative

Carica elettrica coulomb (C) Può essere positiva (+), negativa (-) o neutra (0); Si conserva in ogni trasformazione fisica; È “quantizzata”, ovvero può essere solo un multiplo intero della carica elementare e (carica dell’elettrone) coulomb (C) Unità di misura (S.I.) : 1 e+ = +1,6·10-19 C 1 C = 6,25·1018 e 1 e- = -1,6·10-19 C

Legge di Coulomb - F - F q1 q2 + r La forza di Coulomb è 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 q2 r F - F + - Nel vuoto: La forza di Coulomb è attrattiva per cariche di segno opposto repulsiva per cariche dello stesso segno

Legge di Coulomb εo costante dielettrica del vuoto Nel vuoto: εo costante dielettrica del vuoto In un mezzo la forza di Coulomb si riduce: εr >1 costante dielettrica relativa H2O: εr=80

Campo elettrico +Q E E –Q Intensità di campo elettrico E: +q +q Dato E Unità di misura: +Q ® E (campo elettrico generato da una carica puntiforme) +q ® E Il campo elettrico E non dipende dal valore della carica esploratrice q, ma solo da Q –Q Dato E F = q E

+ + Campo elettrico Linee di forza generate da due cariche uguali Nel caso di più cariche, l’intensità del campo elettrico è data dalla somma vettoriale dei vettori intensità generati da ciascuna carica Linee di forza generate da due cariche uguali + +

Campo elettrico Linee di forza generate da due cariche di segno opposto

Potenziale elettrostatico L = F · AB = qE · AB A q Il lavoro della forza elettrostatica non dipende dal percorso seguito  forza conservativa: B LAB = UA - UB E +Q Energia potenziale elettrica in B Potenziale elettrostatico in B: VB = UB/q ΔV: differenza di potenziale (d.d.p.) Unità di misura: La differenza di potenziale ΔV è il lavoro necessario per spostare la carica di 1 C da A a B

Potenziale elettrostatico LAB = q·ΔV 1 eV = 1,6·10-19 C · 1V = = 1,6·10-19 J Elettronvolt (unità pratica di energia) 1 eV è l’energia cinetica acquistata da una carica elementare e nell’attraversare una differenza di potenziale di 1 V. Il campo elettrico E si misura in N/C oppure V/m

Condensatore piano + ΔV E - d Capacità elettrica C: Si accumulano cariche elettriche sulle due piastre creando un campo elettrico E e una d.d.p. ΔV= E·d area A + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - - - - - - - - - - - carica +Q carica -Q + + + + + + + + + ΔV E - isolante tra le due armature d Condensatore a facce piane e parallele: Capacità elettrica C: Unità di misura (S.I.): farad (F) = coulomb/volt (F = 10-6 F, nF=10-9 F, pF=10-12 F)

Condensatore piano Nota: - occorre compiere lavoro per caricare le due piastre A e B (lavoro compiuto da un generatore elettrico) - l’energia accumulata puo’ essere poi usata - utilizzato nei circuiti elettrici (simbolo ) Nota: le membrane cellulari si comportano come un condensatore !! capacità C  pF (10-12 F)

Corrente elettrica Corrente elettrica: - - - - _ + I ampère (A) Rappresenta un flusso di cariche che si muovono in un mezzo/vuoto: cariche positive  verso punti a potenziale minore cariche negative  verso punti a potenziale maggiore Esempio: filo metallico (VA > VB) - - A B - - _ + Corrente elettrica: I Quantità di carica che si sposta nell’unità di tempo ampère (A) [unità fondamentale del S.I. !] Unità di misura: I positiva: verso del moto delle cariche positive (da + a - !) I costante corrente continua

Legge di Ohm l R - (legge di Ohm) S Generatore di tensione (pila, dinamo, ..) I Resistenza elettrica R (es. lampadina, stufa, ...) simbolo + R ΔV - Unità di misura di R: (legge di Ohm) resistività: - caratteristica del materiale - dipende dalla temperatura Resistenza elettrica di un conduttore: l S

classe sostanze r (20°C) [ohm·cm] argento .................................... rame ......................................... alluminio ................................ ferro ......................................... mercurio .................................. conduttori metallici 1.62 10–6 0.17 10–5 0.28 10–5 1.10 10–5 9.60 10–5 KCl (C=0.1 osmoli) ................ liquido interstiziale ................ siero (25°C) ............................. liquido cerebrospinale (18°C) assoplasma di assone ............ 85.4 60 83.33 84.03 200 conduttori elettrolitici semiconduttori germanio ............................... silicio ..................................... 1.08 100 isolanti alcool etilico ........................ acqua bidistillata ................ membrana di assone ......... vetro .................................... 3 105 5 105 109 1013

Potenza elettrica I ? Potenza elettrica: - I Lavoro compiuto dalle forze elettriche per portare una carica q da A a B: I A + V ? Potenza elettrica: - B I Se tra A e B c’è una resistenza R: ΔV=R·I L’energia fornita dal generatore elettrico viene dissipata in R sotto forma di calore (effetto Joule)

Esempi ΔV = 50 V R = 50 Ω I + - I + - ΔV = 220 V P = 100 W Esempio 1:

Resistenze in serie e in parallelo - + R1 R2 R Resistenze in parallelo: - + R1 R R2

Condensatori in serie e in parallelo - + C C1 C2 Condensatori in parallelo: - + C1 C C2

Corrente alternata i R Frequenza in Italia/EU: f = ν = 50 Hz ΔV i = ΔV/R 310 V V R 220 V Frequenza in Italia/EU: - 310 V f = ν = 50 Hz

Effetti corrente alternata sul corpo umano Frequenze più pericolose I ~ 1 mA ok 10 mA tetanizzazione dei muscoli 70 mA difficoltà di respirazione 100200 mA fibrillazione > 200 mA ustioni e blocco cardiorespiratorio R = 200  2000  (bagn.) (asciutto)

 campo “induzione magnetica” B 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 Non sono mai stati osservati poli magnetici separati (monopoli)!!  campo “induzione magnetica” B

Onde elettromagnetiche Correnti elettriche danno luogo a campi magnetici e variazioni del campo magnetico danno luogo a correnti elettriche S N Elettromagnetismo Onde elettromagnetiche Unità di misura dell’ induzione magnetica B (S.I.): 1 T (tesla) = 1 N/A·m