FENOMENI ELETTROMAGNETICI Richiami: Coulomb e Ohm Capacità elettrica Condensatore Corrente continua Campo magnetico Induzione elettromagnetica Induttanza Corrente alternata Trasformatore apr.2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Richiami sull’elettrostatica Carica elettrica: q  coulomb C  positiva o negativa  multipla di e=1.6•10-19 C  si conserva Forza di Coulomb: F = k q1q2/r2  attrattiva o repulsiva  k = 1/4pe0er, er=1 nel vuoto, >1 nella materia Campo elettrico: E = F/q  N/C  in generale: F=qE, conservativa Potenziale elettrico: V = L/q  volt V=J/C apr.2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Richiami sulla corrente elettrica Intensità di corrente: i = q/t  ampere A=C/s  se c’è campo elettrico / diff.potenziale  moto elettroni in senso contrario 1a legge di Ohm: V = Ri 2a legge di Ohm: R = rl/S  resistenza R  ohm   resistività   •m, conducibilità s = 1/  dipende da temperatura  conduttori, semiconduttori, isolanti Potenza elettrica: W = L/t = qV/t = Vi = V2/R = i2R apr.2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Capacità elettrica Capacità elettrica Farad C = Q/V Una carica Q fornita a un conduttore si distribuisce su tutta la superficie (massima distanza tra cariche uguali) che assume tutta lo stesso potenziale V (altrimenti le cariche si muoverebbero) Il rapporto tra la carica fornita a un conduttore e il potenziale che esso assume è costante. Capacità elettrica di un conduttore: C = Q/V Unità di misura: Farad 1 F = 1 Coulomb/Volt apr.2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico Condensatore  Due conduttori (armature)  con carica +Q e –Q uguale ed opposta  molto vicini tra loro a distanza d  separati da un isolante (dielettrico). Capacità del condensatore: C = Q/DV Tra le armature si crea una differenza di potenziale DV un campo elettrico uniforme E = DV/d apr.2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Condensatore piano e cilindrico Capacità del condensatore: C = Q/DV Condensatore piano: C = e0er S/d Condensatore cilindrico: C = 2pe0er l r2/d apr.2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Circuiti elettrici Generatore di tensione = Circuito “minimo” = generatore di tensione  el.attivo G + conduttore metallico  el.passivi R,C Generatore di tensione = qualunque (pila, dinamo, accumulatore,...) erogatore di forza elettromotrice Il generatore cede energia (chimica, meccanica, termica,...) L=qV agli elettroni del conduttore. Questa energia viene poi rilasciata in forme diverse: - energia termica (effetto Joule) nelle resistenze energia diversa nei condensatori energia luminosa, lavoro meccanico... apr.2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

I condensatori nei circuiti elettrici Collegando le due armature di un condensatore a un generatore di tensione, si “prelevano” elettroni dall’armatura a V> e li si “spinge” verso l’armatura a V<. Risultato: accumulo di carica Q = C DV uguale e opposta sulle due armature, tanto maggiore quanto maggiore è la capacità C  erS/d. Variando opportunamente queste grandezze si può immagazzinare sul condensatore una “quantità di elettricità” arbitrariamente grande. Per “aggiungere carica” alle armature bisogna compiere lavoro contro la repulsione coulombiana tra le cariche già presenti. Questo lavoro durante la carica del condensatore è a spese dell’energia chimica del generatore di tensione, e durante la scarica viene restituito sotto forma di energia diversa (es. avviamento auto, flash). apr.2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Collegamenti di condensatori IN SERIE IN PARALLELO stessa carica – diversa ddp stessa ddp – diversa carica ... il contrario delle resistenze!... apr.2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Magnetismo m = m0mr = permeabilità magnetica Forza di Laplace: Quando ci sono cariche elettriche in moto campi elettrici variabili nel tempo si creano fenomeni magnetici. Due fili (circuiti) percorsi da corrente si attraggono se le correnti sono dirette nello stesso senso si respingono se le correnti sono dirette in senso opposto. ... due correnti elettriche ... ... come due masse ... ... come due cariche ... Forza di Laplace: m = m0mr = permeabilità magnetica apr.2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

... come una massa ... come una carica ... Campo magnetico Tra due fili percorsi da corrente si creano forze. ... come una massa ... come una carica ... Un filo percorso da corrente crea nello spazio circostante un campo di forze. Forza di Laplace: F = i l  B prodotto vettoriale B = vettore campo magnetico o induzione magnetica perpendicolare alla corrente diretto lungo linee chiuse circolari attorno al filo apr.2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Unità di misura del campo magnetico Forza di Laplace: F = i l  B B = F / i l Il tesla è un’unità troppo grande. Normalmente si usa il gauss: 1 G = 10-4 T. Es. campo magnetico terrestre:  0.5 G campi magnetici generati dalle correnti dei segnali nervosi:  0.001 G apr.2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Non esiste (non si è mai trovato) Magneti permanenti Le linee di forza del campo magnetico sono sempre chiuse su se stesse. Una calamita ha sempre 2 poli. Se la si spezza, i 2 poli si rigenerano. Non esiste (non si è mai trovato) il monopolo magnetico! apr.2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Il solenoide Un circuito percorso da corrente equivale a una calamita! Solenoide = avvolgimento di N spire circolari molto vicine Al suo interno B è uniforme: B = m i N / l apr.2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Induzione elettromagnetica Un circuito percorso da corrente genera un campo magnetico E VICEVERSA Un campo magnetico genera una corrente elettrica in un circuito Quando: un circuito viene deformato un circuito viene messo in moto (es. fatto ruotare) il campo magnetico varia nel tempo nel circuito si crea una forza elettromotrice indotta che dà origine a una corrente elettrica per tutto il tempo in cui avvengono queste variazioni. apr.2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico Corrente alternata Corrente elettrica alternata: i(t) = i0 sen(wt) periodica nel tempo Perché? facile da produrre per induzione e.m. facile da trasformare da bassa a alta ddp o viceversa Corrente di rete: Europa  50 Hz USA  60 Hz apr.2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Circuiti in corrente alternata i(t) = i0 sen(wt) V(t) = V0 sen(wt+f) sfasamento tra tensione e corrente Circuito RLC: presenza contemporanea dei 3 elementi passivi: resistenza, capacità, induttanza apr.2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

! Trasformatore Risultato: V02/V01 = N2/N1  V02 = V01•N2/N1 Scopo: trasformare V01 in V02 Induzione elettromagnetica: al primario, i(t)  B(t) al secondario, B(t)  fem indotta Risultato: V02/V01 = N2/N1  V02 = V01•N2/N1 ! Nucleo di ferro con avvolti due circuiti: primario con N1 avvolgimenti, secondario con N2 avvolgimenti apr.2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

Es. Defibrillatore cardiaco Fibrillazione: contrazioni scorrelate pericolo mortale! Reset: contrazione contemporanea di tutte le fibre muscolari Metodo: mandare al cuore un’enorme corrente (20 A) per un tempo brevissimo (5 ms) V02 = V01•N2/N1  220 • 614/45 = 3000 V con R = 50 W, C = 100 mF  t = RC = 5 ms ! apr.2003 Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico