Lezione 1: Elettricita` e legge di Coulomb Cenni Storici La maggior parte dei fenomeni fisici che si verificano attorno a noi sono dovuti a forze elettromagnetiche: forze tra atomi e molecole forze chimiche  vita ! forze d’attrito forze di resistenza viscosa forze elastiche e di coesione forze legate al magnetismo terrestre luce è onda elettromagnetica La tecnologia moderna è basata più del 99% sull’ elettromagnetismo !! Tutti i fenomeni che avvengono su scale superiori alle dimensioni del nucleo atomico sono alcuni natura gravitazionale grandissima parte natura elettromagnetica

completamente scoperto dall’indagine scientifica La natura elettromagnetica dei fenomeni non appare a prima vista ed è rimasta ignota fino a 2 secoli fa: forza elettrica: attrattiva e repulsiva materia: cariche negative e positive esattamente uguali  il mondo dell’elettromagnetismo è stato completamente scoperto dall’indagine scientifica XVI secolo: prime osservazioni sistematiche di fenomeni elettrici e magnetici; …. : Coulomb, Galvani, Volta, Oersted, Ampère, Faraday 1865: equazioni di J.K. Maxwell teoria completa dell’elettromagnetismo classico relativisticamente corretto descrizione del mondo macroscopico XX secolo: R.P. Feyman, J. Shwinger e Tamanaga elettromagnetismo quantistico: spiega i fenomeni su scala atomica e inferiore, interazione tra particelle cariche e campo em.

La carica elettrica Fatti sperimentali: esiste carica positiva e negativa cariche dello stesso tipo si respingono, di tipo diverso si attraggono attrazione repulsione elettroscopio a foglie: misura relativa della carica elettrica

Struttura elettrica della materia 3 costituenti elementari: protone neutrone elettrone massa: mp  mn  1.67 10-27 kg me  9.11 10-31 kg  1/1836 mp dimensioni: de 4 10-18 m = 4 am (puntiformi) dp  dn  10-15 m = fermi (formati da quark) dq  0.2 10-18 m carica elementare (più piccola carica libera): qe  qp = 1.602 10-19 C qn  0 materia: numero enorme di costituenti elementari carichi globalmente neutra

Misura della Carica Elementare (R. Millikan 1910) goccioline d’olio cariche per sfregamento con il nebulizzatore + E - E = 0 E  0 q = nqe n = 0,1, 2, 3,… qe= 1.602 10-19 C

Conservazione della carica non è possibile creare o distruggere carica elettrica ( il valore totale deve rimanere invariante) posso solo fare trasferimenti di cariche tra corpi annichilazione e- + e+  2 g massa  energia (E=mc2) carica conservata decadimenti radioattivi 23892U  23490Th + 42He reazioni nucleari 4420Ca + p  4421Sc + n

La legge di Coulomb (1785) Bilancia a torsione equilibrio dei momenti delle forze Validita`: cariche puntiformi ferme nel vuoto esperimento delicato e difficile:  poca precisione ( qualche %);  non convince che esponente sia 2 e non 2.01 validità della legge è stabilita con precisione indirettamente, per le sue conseguenze.

Bilancia di torsione di Coulomb (Accademia delle Scienze francesi, 1785)

Costante di proporzionalità non può essere direttamente determinata dall’esperimento di Coulomb dipende da : mezzo in cui sono immerse le cariche unità di misura della carica elettrica Esempio: vuoto k  1 carica unitaria  carica che posta a distanza unitaria da carica uguale la respinge con forza unitaria  carica unitaria dipende da unità meccaniche 1 Coulomb = 1 Ampere  1 sec.  grandezza elettrica indipendente

non è soddisfatto da tutte le forze Forza che q1 esercita su q2 F12 q2 q1 F21 q2 F12 F21 q1 Sperimentalmente: principio di azione e reazione non è soddisfatto da tutte le forze (è violato da cariche in movimento)

Principio di sovrapposizione (principio di indipendenza delle forze simultanee) risultato sperimentale conferma carattere vettoriale legge di Coulomb

Forza di Coulomb è conservativa il lavoro fatto per spostare una carica q in presenza di una carica q0 non dipende dal percorso ma solo dal punto iniziale e finale.  tutte le forze centrali sono conservative

Confronto Coulomb-Newton attrattiva o repulsiva solo attrattiva esempio: forze elettrone-protone Possibilità di osservare forze gravitazionali: mescolamento cariche positive e negative esatta equaglianza fra esse

per assurdo: qp = 1.000000001 qe = qe + 10-9qe Calcolare FE con cui si respingono due sfere di ferro di 1 kg alla distanza di 1 m. Fe : 26 elettroni 26 protoni  A = 55 29 neutroni 1 mole = 55 gr NA = 6.02  1023 atomi in ciascuna sfera: # atomi = (1000/55)  NA = 1.1  1025 # elettroni = 2.8  1026 carica sfera: q = 2.8  1026  qe  10-9 = 4.6  10-2 C tonnellate !!

Carica necessaria per sollevare una piramide (in una lampadina: 100Watt  0.5A, 1A = 1C/sec)