ELETTROMAGNETISMO Campo magnetico Forza elettrica Carica elettrica Campo elettrico Differenza di potenziale Potenza elettrica Corrente Resistenza Effetto Joule

Energia elettrica L’energia elettrica rappresenta una delle forme d'energia più comunemente e diffusamente utilizzate: basti pensare alla luce artificiale e agli elettrodomestici che sono presenti nelle nostre case. Ma questa non è l’unica manifestazione di fenomeni elettrici e magnetici nella vita quotidiana.

Fenomeni elettrici e magnetici L'atmosfera è continuamente sede di fenomeni elettrici e magnetici che vanno dal semplice accumulo di cariche elettrostatiche alle scariche dei fulmini durante i temporali. Nelle giornate secche e ventose l'accumulo di cariche elettrostatiche sugli abiti o sugli oggetti può portare alla creazione di differenze di potenziale il cui effetto si sente sotto forma di piccole correnti. Nei sistemi biologici la forza elettrica interviene nella trasmissione degli impulsi nervosi, nella contrazione delle fibre muscolari, nei meccanismi di trasferimento cellulare.

Applicazioni mediche Diverse sono le apparecchiature mediche che utilizzano campi elettrici, magnetici e elettromagnetici (onde) a scopo diagnostico. ECG, EEG osservando le differenze di potenziale tra diverse parti del corpo si traggono informazioni sul funzionamento del cuore e del cervello La risonanza magnetica utilizza campi magnetici e onde radio per produrre immagini tridimensionali degli organi. La tomografia assiale computerizzata (Tac) si basa sull'utilizzo dei raggi X per ricostruire immagini tridimensionali grazie al computer. Tecniche di imaging come - Scintigrafia (SPECT) - PET sono basate sull’uso di onde elettromagnetiche

Carica elettrica Tutto ciò che ha a che fare con l’elettricità trae origine da una proprietà della materia chiamata carica elettrica. In natura esistono due tipi di carica elettrica: positiva e negativa. La carica elettrica nel SI si misura in Coulomb (C) Cariche uguali si respingono, cariche opposte si attraggono Vediamo dove esattamente si trova la carica elettrica nella materia Elettroni Nucleo Ogni cosa che ci circonda è costituita da atomi. Ogni atomo è formato da un nucleo centrale intorno al quale orbitano gli elettroni.

Il nucleo è costituito da protoni e neutroni. Struttura dell’atomo Il nucleo è costituito da protoni e neutroni. I protoni (p) hanno carica elettrica positiva 1.6 10-19 C Gli elettroni (e) carica elettrica negativa -1.6 10-19 C I neutroni (n) sono neutri, ossia hanno carica elettrica nulla Elettroni Protoni Neutroni Nel suo stato normale, un atomo contiene lo stesso numero di protoni e di elettroni, ed è quindi elettricamente neutro. Es. Un atomo di ossigeno è costituito da un nucleo con 8 protoni e 8 neutroni intorno a cui orbitano 8 elettroni. La carica sua totale è quindi Q = 8x(1.6 10-19 C) + 8x(-1.6 10-19 C) + 8x0 C = 12.8 10-19 C - 12.8 10-19 C = 0 C protoni elettroni neutroni

Ioni La perdita di uno o più elettroni trasforma gli atomi in ioni positivi L’acquisizione di uno o più elettroni trasforma gli atomi in ioni negativi Na Cl e- Sodio cede un elettrone al Cloro E S M P I Si formano così gli ioni Na+ e Cl- Avendo carica opposta tali ioni si attraggono Na+ Cl- Si forma così un composto ionico detto Cloruro di sodio (sale da cucina) FE Ioni Na+ e Cl- si trovano anche nel plasma sanguigno Ioni Na+ e K+ giocano un ruolo fondamentale nella trasmissione dell’impulso nervoso

Elettrizzazione dei corpi È possibile trasferire carica elettrica da un corpo ad un altro. Di solito vengono trasferiti elettroni il corpo che acquista elettroni assume una carica negativa (avrà più e di p) il corpo che cede elettroni assume carica positiva (avrà più p di e) Tale separazione di carica avviene per esempio quando sostanze dissimili vengono strofinate una contro l’altra: se si strofina una bacchetta di vetro con un tessuto di seta, alcuni elettroni si trasferiscono dal vetro alla seta lasciando il vetro carico positivamente e la seta negativamente Altri esempi osservabili nella vita quotidiana: se si fa scorrere vigorosamente un pettine tra i capelli asciutti questi ultimi si elettrizzano se strofiniamo su della lana un oggetto di plastica, esso si carica elettricamente ed attira o respinge piccoli frammenti di carta.  Nel processo di strofinio gli elettroni non vengono né creati né distrutti ma solo trasferiti da un materiale all’altro!

Carica elettrica di un corpo Poiché la carica elettrica Q di un corpo rappresenta un eccesso o un difetto di elettroni, Q sarà sempre uguale ad un multiplo intero (positivo o negativo) della carica dell’elettrone (qe) |qe| = 1.6 · 10-19 C Esercizio Una bacchetta di vetro strofinata con un panno acquista una carica elettrica Q=3.2·10-10 C. Quanti elettroni si trasferiscono dal vetro al panno? N= Q/|qe| = (3.2 · 10-10 C)/(1.6 · 10-19 C) = 3.2/1.6 · 10-10+19 = 2 · 109

Interazione tra cariche - q2 - q1 +q2 +q1 Oggetti con carica dello stesso segno si respingono + q2 - q1 Oggetti con carica di segno opposto si attraggono Questo vuol dire che oggetti carichi esercitano una forza l’uno sull’altro.

FORZA DI COULOMB F - F F - F q1 q2 - + + + q2 q1 La forza che si esercita tra due cariche elettriche q1 e q2 si chiama forza elettrostatica. Caratteristiche: Agisce a distanza E’ diretta lungo la congiungente delle due cariche E’ attrattiva se le due cariche hanno segno opposto e repulsiva se hanno lo stesso segno Aumenta all’aumentare delle cariche elettriche q1 e q2 Diminuisce all’aumentare della distanza r tra le cariche F - F F - F q1 q2 - + + + r r q2 q1

Costante elettrostatica di Coulomb k è una costante di proporzionalità detta costante elettrostatica di Coulomb e vale: nel vuoto K0 er Costante dielettrica relativa nella materia Mezzo dielettrico er Aria secca 1,0006 Carta comune 2 Gomma 2,2 - 2,5 Porcellana 4 – 7 Vetro 6 – 8 Acqua pura 81,07 Ossido di titanio 90 - 170 er = 1 nel vuoto In tutti gli altri casi er > 1

Esercizio a) Calcolare la forza con cui si attraggono due oggetti carichi Q1=+4,5 10-3C e Q2=-5 10-2 C posti ad una distanza di 1.5 m nel vuoto. b) Quanto vale la forza di attrazione tra le stesse due cariche poste ad una distanza di 1.5m in acqua (er=81.07)? H2O: εr=81,07 L’intensità della forza elettrostatica si riduce passando dal vuoto all’acqua (questo vale per ogni altro mezzo, non solo l’acqua, essendo er>1).

Forza di Coulomb e Forza Gravitazionale La legge di Coulomb ha una forma che somiglia molto alla legge di gravitazione universale Entrambe le forze sono dirette lungo la congiungente dei due corpi decrescono al crescere della distanza r tra i corpi (come 1/r2) crescono al crescere del valore della grandezza che le genera (q per FE e m per FG) C’è una differenza: la forza di Coulomb può essere attrattiva o repulsiva, quella gravitazionale è solo attrattiva. Intensità della F gravitazionale << intensità della F elettrostatica G = 6.67 10-11 K0 [N][m]2 [kg]2

CAMPO ELETTRICO +Q +q +Q +q Abbiamo visto che una carica Q riesce a fare in modo che altri oggetti elettricamente carichi risentano di forze dovute alla sua presenza. . +Q +q F Possiamo pensare quindi che essa sia in grado di "perturbare" elettricamente lo spazio attorno a sé. Questo si esprime dicendo che la carica "genera" intorno a se un campo elettrico. La presenza del campo elettrico generato da Q fa si che q risenta della forza F=qEQ F=QEq F +Q +q Ogni punto dello spazio intorno a Q è perturbato dalla presenza del campo elettrico generato dalla stessa Q

CAMPO ELETTRICO Dato E F = q E Campo elettrico generato da una carica puntiforme Q Unità di misura: Campo elettrico generato da una carica Q aumenta con l’aumentare della carica Q diminuisce man mano che ci si allontana da essa (r aumenta) Dato E F = q E Nota: la forza che la carica Q esercita su una carica q si scrive come FORZA DI COULOMB

LINEE DI CAMPO (carica positiva) Un metodo grafico per rappresentare il campo elettrico consiste nell’utilizzo di linee orientate dette linee di campo. Le linee di campo generate da una singola carica puntiforme positiva sono semirette uscenti dalla carica sorgente Le linee di forza indicano la direzione e il verso del campo elettrico. +Q ® E Dove sono più fitte (zona azzurra) il campo elettrico è più inteso; dove sono più rade (zona giallina) il campo elettrico è meno intenso. In effetti sappiamo che il campo elettrico generato da una carica diminuisce man mano che ci si allontana da essa.

LINEE DI CAMPO (carica negativa) Le linee di campo generate da una singola carica puntiforme negativa sono semirette entranti nella carica sorgente F E ® –Q +q F = q E F F -q Il campo nella zona azzurra (linee di campo fitte) è più inteso che nella zona giallina (linee di campo più rade). In effetti sappiamo che il campo elettrico generato da una carica diminuisce man mano che ci si allontana da essa

Esercizio . Una carica elettrica Q=10-2 C posta nel vuoto genera un campo elettrico nello spazio circostante. Calcolare: a) l’intensità del campo elettrico in un punto P ad una distanza r = 10 cm dalla carica Q b) la forza che agisce su di un elettrone posto nel punto P. Q P E r Q e- E r F