Facciamo conoscenza Fortunato Neri Dipartimento di Fisica della Materia e Tecnologie Fisiche Avanzate tel. 090 676-5394 e-mail: neri@ortica.unime.it Fisica II – CdL Informatica

Svolgimento del corso Mar 9.00 – 11.00 Gio 9.00 – 11.00 Dal 7/10 all’11/12 2008 e dall’8 al 29/1/2009 Aula M (primo piano) Circa 24 lezioni con esercitazioni Previste no. 2 prove intermedie Modalità esame: prove intermedie (scritte)  sufficiente: esame superato appelli normali: prova scritta ( sufficiente) + integrazione orale Testo consigliato: Serway, Jewett “Principi di Fisica”, 3° ediz., vol. I e II, casa editrice Edises Testo alternativo: Halliday, Resnick, Walker “Fondamenti di Fisica” vol. I e II, ed. Ambrosiana Fisica II – CdL Informatica

FISICA II Argomenti del corso Potenziale elettrico e Capacità Corrente elettrica e Resistenza Circuiti elettrici a corrente continua Forze e Campi magnetici Campi magnetici generati da cariche in moto: Induzione Oscillazioni e semplici circuiti AC Onde elettromagnetiche: equazioni di Maxwell Ottica geometrica (riflessione, rifrazione) e ondulatoria (interferenza, diffrazione) Fisica quantistica: fotoni e onde di materia Fisica atomica Stati aggregati della materia (cenni) Fisica II – CdL Informatica

FISICA … perché studiarla ? Informatica è una laurea scientifica per la quale sono necessarie conoscenze in ambiti diversi In altre parole la laurea in Informatica non è un corso per programmatori (in C, Java, …) Affrontare e risolvere semplici (!) problemi di fisica permette di acquisire capacità cosiddette di “problem solving” specificatamente richieste in campo aziendale L’informatica è un settore in rapida evoluzione: le tecnologie si rinnovano frequentemente, sono necessarie conoscenze scientifiche (sia pure generali) per poterle comprendere ed usare efficacemente. Fisica II – CdL Informatica

Interazioni fondamentali (origine delle forze) argomento del corso Elettromagnetica : lungo raggio lega elettroni e protoni per formare atomi, che formano molecole, etc. Forte : corto raggio ~10-14m  lega i protoni ed i neutroni per formare i nuclei Nucleare debole: corto raggio ~ 10-14 m decadimento neutronico e radioattività naturale Gravitazionale: domina su larga scala, legata alla massa Fisica II – CdL Informatica

Carica Elettrica La carica elettrica è una proprietà intrinseca delle particelle fondamentali che costituiscono la materia. elettroni +neutroni +protoni atomo Stato di carica possibile: negativo (elettrone) neutro (p.es., neutrone) positivo (p.es., protone) La materia cambia il suo stato di carica Acquisendo o perdendo elettroni Evidenze sperimentali: Lo “sfregamento” (frizione) e/o il contatto provocano il trasferimento di elettroni da un oggetto ad un altro Caricamento per contatto (o conduzione) Fisica II – CdL Informatica

Carica elettrica: evidenze sperimentali Esistono due specie di cariche elettriche: positiva, negativa Cariche omonime si respingono cariche eteronime si attraggono La carica netta in un sistema isolato si conserva sempre Fisica II – CdL Informatica

Conduttori & Isolanti Conduttori: materiali in cui le cariche elettriche possono muoversi “liberamente”: metalli, acqua naturale, corpo umano, … Isolanti: materiali in cui le cariche elettriche sono “bloccate”: aria, vetro, plastica, … Semiconduttori: un tipo di isolanti in cui è possibile variare il numero ed il tipo (positivo o negativo) di cariche elettriche mobili (es. silicio, germanio); fondamentali per lo sviluppo della microelettronica e, quindi, dell’informatica !!! Fisica II – CdL Informatica

Legge di Coulomb La forza* esercitata da una carica puntiforme su di un’altra agisce lungo la congiungente le cariche. La forza varia secondo l’inverso del quadrato della distanza che separa le cariche. La forza è proporzionale al prodotto delle cariche. La forza è repulsiva per cariche dello stesso segno e attrattiva per cariche di segno opposto. Forza repulsiva + r 1 2 F21 1 + - Forza attrattiva r 2 F21 *la forza è un vettore Fisica II – CdL Informatica

Unità di carica elettrica Coulomb (C): 1 Coulomb è la quantità di carica che passa in 1 secondo attraverso una qualsiasi sezione di un filo percorso dalla corrente di 1 Ampere. e0 è la costante dielettrica nel vuoto. La costante ke è definita come: Costante Dielettrica Fisica II – CdL Informatica

Sommario carica elettrica Proprietà fondamentale: associata ai protoni ed elettroni L’unità di misura nel sistema SI è il coulomb (C) Due di tipi di carica (q): Positiva (+): p.es. protoni (qprotone = +1.602x10-19 C) Negativa (-): p.es. electroni (qelettrone = -1.602x10-19 C) Atomi & molecole, normalmente, possiedono carica nulla eguale numero di protoni ed electroni stesso valore assoluto ma segno opposto Proprietà della carica: cariche dello stesso segno si respingono cariche di segno opposto si attraggono La carica elettrica è quantizzata La carica elementare (e) vale 1.602x10-19 C La carica totale di qualunque materiale è un multiplo di (e) qtotale = Ne La carica elettrica si conserva Non si conoscono processi che modificano autonomamente (senza trasferimento) la quantità di carica. Demonstrate with H atom (1 p & 1 e) Fisica II – CdL Informatica

Principio di sovrapposizione degli effetti Principio di sovrapposizione: Per un insieme di cariche puntiformi, la forza totale agente su una carica è la risultante vettoriale di ciascuna forza agente su di essa. Le forze non sono influenzate dalla presenza di altre forze. Problema: valutare la forza totale agente su Q1 essendo Q1=Q2=Q3=1C e disposte ai vertici di un triangolo equilatero. 600 Q1 F F3 F2 R=1m Q2 Q3 Fisica II – CdL Informatica Q1=Q2=Q3=1C

Campo Elettrico Una semplice osservazione, ma ricca di conseguenze L’intensità della forza di Coulomb su una data carica è sempre proporzionale al valore della carica stessa. Esperimento: inseriamo una carica di prova q0 in presenza di altre due cariche q1 e q2 q0 q1 q2 F1 F F2 carica di prova Domanda: Come fa q0 a conoscere la presenza di q1 e q2 ? Risposta: q1 e q2 generano un campo elettrico che non dipende dalla carica di prova q0 ma solo dalla posizione nello spazio. (Azione a distanza) q F E r = Fisica II – CdL Informatica

Campo Elettrico Una particella carica crea un campo elettrico. Il campo elettrico è una grandezza vettoriale ed ha la stessa direzione della forza agente su una carica positiva. q (carica di prova) E campo indipendente dalla carica di prova F = qE + r = 1x10-10 m Qp=1.6x10-19 C E E = (9109)(1.610-19)/(10-10)2 N = 2.91011 N/C (diretto verso destra) Fisica II – CdL Informatica

Campo Elettrico Possiamo quindi determinare, ovunque nello spazio, il campo elettrico prodotto da arbitrari : Insiemi di cariche Distribuzioni di carica F + - + + Valore di E all’origine Queste cariche o distribuzioni di cariche sono “l’origine” del campo elettrico nello spazio Fisica II – CdL Informatica

I singoli valori delle temperature campionano il campo scalare (conosciamo la temperature nel punto prescelto, ma T è definita ovunque (x,y) Fisica II – CdL Informatica

Campo Vettoriale La distribuzione delle velocità dei venti è un campo vettoriale oltre all’intensità (modulo) è necessario conoscere la direzione ed il verso per sapere “che vento tira ...” Fisica II – CdL Informatica

Campo Elettrico di una Carica Puntiforme La forza su una carica di prova è per definizione il campo elettrico è dato da: Fisica II – CdL Informatica

Campo Elettrico generato da cariche puntiformi multiple La forza esercitata su un carica di prova è data da pertanto il campo elettrico è, per definizione, dato da Principio di Sovrapposizione! Fisica II – CdL Informatica

Dipolo Elettrico diretto a sinistra Esempi Dipolo Elettrico diretto a sinistra Dipolo Elettrico diretto in basso - + Due cariche eguali Cariche opposte. Si noti che il doppio delle linee di flusso entrano (o escono) dalla carica che vale 2Q. Piani paralleli carichi Fisica II – CdL Informatica

Momento di Dipolo Elettrico x a +Q r -Q Consideriamo r >> a casi di particolare interesse: p. es. molecole, antenne Momento di dipolo: = dQ dove d è la separazione tra le due cariche Edipolo  r-3 a distanza in tutte le direzioni Il momento di dipolo è diretto dalla carica negativa verso quella positiva. Molte molecole possiedono un momento di dipolo elettrico (molecole polari). Fisica II – CdL Informatica

piccole quantità di carica dq Densità di carica Come si rappresenta la carica “Q” su un oggetto esteso ? piccole quantità di carica dq carica totale Q carica lineare: λ = carica per unità di lunghezza dq = l dx carica superficiale: s = carica per unità di area dq = s dA carica di volume r = carica per unità di volume dq = rdV Fisica II – CdL Informatica

Carica puntiforme in un campo elettrico Determiniamo la forza elettrostatica cui è soggetta una carica posta in campo elettrico esterno, F = qE La direzione della forza è la stessa di quella del campo esterno, se la carica è positiva, ovvero è opposta se la carica è negativa. La carica non risente del proprio campo elettrico Il campo elettrico totale è, comunque, dato dalla sovrapposizione del campo esterno + di quello interno (generato dalla carica puntiforme stessa) Fisica II – CdL Informatica

Carica in un campo uniforme (energia cinetica) Fisica II – CdL Informatica

Moto di particelle cariche - Esempio Fisica II – CdL Informatica

Applicazioni “moderne” stampanti a getto d’inchiostro “ink-jet” segnali d’ingresso carta E generatore gocciolina piani deflettenti dispositivo di carica della gocciolina Fisica II – CdL Informatica

Applicazioni “moderne” Monitor CRT Televisore CRT Fisica II – CdL Informatica

Legge di Gauss Flusso Elettrico Legge di Gauss: Motivazione & Definizione Legge di Coulomb come conseguenza della legge di Gauss Cariche sui Conduttori La legge di Gauss mette in relazione i campi su una superficie gaussiana (superficie chiusa di forma arbitraria) con le cariche racchiuse dalla superficie stessa. Fisica II – CdL Informatica

Concetto di Flusso Fisica II – CdL Informatica

Flusso elettrico Il flusso elettrico Φ attraverso una superficie gaussiana è proporzionale al numero di linee di campo elettrico passanti attraverso la superficie Fisica II – CdL Informatica

Teorema di Gauss Relazione generale tra il flusso elettrico totale Φ attraverso una superficie chiusa e la carica elettrica contenuta all’interno di questa superficie. mette in relazione E e q. E’ utile solo nei casi in cui vi è alta simmetria (spaziale). Matematicamente il vero problema è svolgere l’integrale !!! Fisica II – CdL Informatica

Flusso attraverso superfici chiuse (esempi) Fisica II – CdL Informatica

Leggi fondamentali dell’Elettrostatica Legge di Coulomb Forza tra cariche puntiformi OPPURE Legge di Gauss Relazione tra Campi Elettrici e cariche Fisica II – CdL Informatica

Legge di Gauss Legge di Gauss (è una LEGGE FONDAMENTALE): Il flusso elettrico netto Φ attraverso una qualunque superficie chiusa (gaussiana) è proporzionale alla carica racchiusa da tale superficie. Come usare questa equazione ? É molto utile nel trovare E quando la situazione fisica presenta elevati gradi di SIMMETRIA. Fisica II – CdL Informatica

Legge di Gauss S1: e0F1=+q S2: e0F2=-q S3,S4: e0F3= e0F4 =0 La legge di Gauss mette in relazione il flusso netto Φ di un campo elettrico attraverso una superficie chiusa (gaussiana) con la carica netta qint che è racchiusa all’interno della superficie. S1: e0F1=+q S2: e0F2=-q S3,S4: e0F3= e0F4 =0 Fisica II – CdL Informatica

Legge di Gauss Þ Legge di Coulomb (implica) Simmetria Þ il campo E di una carica puntiforme è radiale e sfericamente simmetrico Disegnamo una sfera di raggio R centrata sulla carica. E +Q R Perchè ? E è normale in ogni punto sulla superficie E è identico in ogni punto sulla superficie possiamo portare E fuori dell’integrale! Pertanto, ! legge di Gauss libertà di scelta della superficie, purchè sia “Gaussiana” Þ Þ Fisica II – CdL Informatica