elettrostatica l.s.g. oberdan c.pocecco elettrostatica pag. 1 la seguente presentazione è stata...

Elettrostatica

L.S.”G. Oberdan” C.Pocecco Elettrostatica pag. 1

La seguente presentazione è stata ideata per offrire agli studenti una sintesi dei più importanti fenomeni riguardanti l’elettromagnetismo.

La presente non deve sostituirsi al testo, che va studiato accuratamente, ma intende focalizzare l’attenzione sui concetti più importanti.

Le immagini ed il testo sono stati reperiti in rete o sono stati modificati da libri per i licei scientifici o per l’Università e vengono utilizzati per l’elevato contenuto didattico.

Elettrostatica


Elenco dei contenuti:

Elettricità: note storicheCariche elettricheElettrizzazione per strofinioConduttori, isolanti e semiconduttoriElettrizzazione per contattoElettroscopio a foglieElettrizzazione per induzioneElettroforo di VoltaCariche elettricheLegge di CoulombQuantizzazione della carica elettricaConservazione della carica elettrica

Elettricità


Alcuni fenomeni – noti anche ai Greci – sono all’origine dell’elettromagnetismo: Sfregando un pezzo di ambra (“electron”) si attraggono pezzetti di paglia Alcune rocce presenti in natura (magnetite) attraggono il ferro. Le conoscenze sui fenomeni elettrici e magnetici si svilupparono per secoli in modo separato. Nel 1820 Hans Oersted (1777 – 1851), fisico e filosofo danese, scoprì sperimentalmente una connessione tra esse:

Una corrente elettrica ha il potere di deflettere l’ago di una bussola.

Nasceva così una nuova scienza: l’elettromagnetismo.

Figure di spicco


André Ampère (1775-1836) formulò in maniera quantitativa i risultati di Oersted sui legami tra campi magnetici e correnti

Michael Faraday (1791-1867) scoprì le leggi dell’induzione e dell’elettrolisi

James Maxwell (1831-1879) sviluppò la teoria completa dell’elettromagnetismo e ipotizzò l’esistenza di onde elettromagnetiche

http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/57/James_Clerk_Maxwell.png

Elettricità


Alcuni fenomeni elettrici: Fulmini Nei giorni secchi si può provocare una scintilla toccando la lamiera

dell’auto dopo esser scesi…. Incarti di plastica che si attaccano alle mani. Nella vita quotidiana siamo circondati da fenomeni elettrici: - elettrodomestici, elettronica, informatica, telecomunicazioni…

Cariche elettriche


In ogni oggetto che ci circonda è immagazzinata una grande quantità di carica elettrica.

La carica è una caratteristica intrinseca delle particelle costituenti la materia.

Si dimostra sperimentalmente che esistono due tipi di cariche che, Benjamin Franklin chiamò cariche positive e negative.

Cariche positive e negative si neutralizzano a vicenda. I corpi sono normalmente neutri, cioè possiedono un ugual numero

di cariche positive e negative.

+ - + - + - + --

+ - + - + - + --+ - + - + - + - +

+ - + - + - + - +

Corpi elettricamente carichi


+ - + - + - + --

+ - + - + - + --+ - + - + - + - +

+ - + - + - + - +

-

-

-

- -

--

--

Elettroni in eccesso corpo carico negativamente

Mancanza di elettroni corpo carico positivamente

+ - + + - + --

+ - + - + - + --+ + - + - + +

+ - + + - + +- + + - + - + --

Un corpo è elettricamente carico quando esiste uno sbilanciamento tra cariche positive e negative, cioè un eccesso di cariche positive o negative.

1.Elettrizzazione per strofinio


Strofinando diversi corpi, si riesce a sbilanciare la loro carica.I corpi elettricamente carichi interagiscono tra di loro

esercitando delle forze elettriche.

Ebanite strofinato con lanaVetro strofinato con lana

vetro/vetro si respingono

ebanite /ebanite si respingono

vetro/ ebanite si attraggono

Elettricità


Si definiscono carichi positivamente i corpi che si comportano come il

vetro carichi negativamente i corpi che si comportano come la

plasticaCariche di segno opposto si attraggono e cariche dello stesso segno si respingono

Elettricità


Le forze elettrostatiche vengono applicate nell’industria in:

Verniciatura a spruzzo Rivestimento di superficie con polveri Stampa a getto d’inchiostro Fotocopiatura ……………………….

Dal punto di vista quantitativo le forze elettrostatiche seguono la legge di Coulomb

Elettricità


Riassumendo:1. alcuni corpi (vetro, ambra, ebanite ...) se strofinati

acquistano una carica elettrica;

2. le cariche elettriche esercitano delle forze fra di loro;

3. le cariche sul vetro e sull’ebanite devono avere natura diversa.

Benjamin Franklin (1706-1790):in natura esistono due tipi di elettricità:

positiva e negativa.

Conduttori, isolanti e semiconduttori


I materiali si possono classificare in base alla “libertà di movimento”

di cui godono al loro interno gli elettroni (portatori di carica negativa)

CONDUTTORI: gli elettroni più esterni sono liberi di muoversi e non restano legati al nucleo originario (“free electrons”- “elettroni liberi”).In generale: le cariche elettriche sono libere di muoversi:(metalli, soluzioni ioniche…)

ISOLANTI (dielettrici): gli elettroni restano attaccati ai nuclei originari e non sono liberi di muoversi (vetro, plastiche, legno…)In generale: le cariche non sono libere di muoversi

SEMICONDUTTORI: sono importanti materiali intermedi, le cui proprietà variano molto a seconda delle condizioni esterne

Elettroni nei materiali


Altri materiali:Superconduttori (scoperti nel 1911; recenti scoperte nel 1997)Nanotubi e Nanofili

Cariche nei conduttori: messa a terra


Esperimento per verificare la mobilità delle cariche nei conduttori:

Se si strofina una bacchetta di metallo tenendola in mano, non si riesce a caricarla: non appena lo strofinio produce “carica in eccesso”, questa carica si muove velocemente attraverso il corpo fino al pavimento e la bacchetta risulta neutra (fenomeno della “messa a terra”)

Se si strofina la bacchetta di metallo tenendola con un manico isolante, non si verifica la messa a terra e la carica netta rimane sulla bacchetta di metallo.

2. Elettrizzazione per contatto


La presenza di carica può essere messa in luce tramite un

elettroscopio a foglie

Elettrizzazione per contatto:

Si può elettrizzare un conduttore mettendolo a contatto con un corpoelettricamente carico.

Si elettrizza per strofinio un conduttore con manico isolante

Si mette a contatto un altro conduttore scarico, isolato da terra: - Il secondo conduttore si carica- La carica si divide fra i due conduttori:

si distribuisce sulla sua superficie.

Elettroscopio a foglie


Utilizzando la mobilità delle cariche elettriche depositate su di un conduttore, è possibile costruire uno strumento per misurare la caricaelettrica.

Elettroscopio a foglie


È costituito da una bottiglia di vetro, con tappo isolante, nel quale è presente un foro, attraverso il quale passa un’asta verticale conduttrice che porta, in fondo, due sottilissime lastre d’oro.

Toccando con un corpo carico

l’estremità uscente dell’asta, si osserva che le foglie si separano, perché si elettrizzano per contatto con cariche del medesimo segno fra le quali si esercitano forze repulsive

L’elettroscopio a foglie, se dotato di una scala graduata per misurare la separazione delle foglie, permette di dare una definizione operativa di carica elettrica.

3.Elettrizzazione per induzione


L'elettricità si produce anche per induzione, cioè avvicinando un corpo elettrizzato ad un metallo isolato.

Se inpresenza delvetroelettrizzatosi divide ilmetallo, siottengono duecorpi carichi.

3. Elettrizzazione per induzione


L’elettrizzazione per induzione mette ulteriormente in luce la mobilità delle cariche in un conduttore

La bacchetta di bachelite (-) viene avvicinata ad un conduttore di rame neutro.

Le cariche (-) del rame migrano verso l’estremità opposta

Le cariche (+) vengono attratte dalla bacchetta di bachelite

Il fenomeno si ripete (con i segni cambiati) se si usa una bacchetta di vetro.

Il fenomeno è dovuto alla ridistribuzione della

carica nel conduttore: le cariche delle stesso segno di quelle presenti sulla bacchetta se ne allontanano, quelle di segno opposto le si avvicinano.

Se allontano la bacchetta tutto torna neutro, MA Se prima di allontanare la bacchetta tocco la

pallina, porterò via, per contatto, le relative cariche, o separo la pallina in due parti, ho trovato un modo per caricare la pallina senza contatto.

Elettroforo di Volta


Piatto metallico sorretto da manico isolante e appoggiato su supporto isolante.

• Il supporto viene elettrizzato per strofinio• L’elettroforo viene posto sopra il piatto isolante e si

elettrizza per conduzione. • Si tocca l’elettroforo in modo che la carica posta sulla

faccia superiore viene trascinata via.

togliendo il piatto, questo rimane carico.

Polarizzazione di un dielettrico


Nuvola elettronica in un atomo in assenza di campo elettrico:

l’atomo è neutro

In presenza di un oggetto carico, ovvero di un campo elettrico, la nuvola si distorce e l’atomo

diviene polare

Induzione elettrostatica L’atomo si orienta nella direzione del

campo elettrico

Tipi di materiali


CONDUTTORI: -Metalli -Corpo umano-Acqua di mare…

ISOLANTI: -Vetro-Acqua chimicamente pura-Plastica …

SEMICONDUTTORI:-Silicio-Germanio

Modalità di elettrizzazione


Metodo Descrizione Meccanismo Materiali

Strofinio Strofinare fra loro due corpi

Si strappano gli elettroni presenti sulla superficie dei corpi

Isolanti o conduttori (con manico isolante)

Contatto Mettere a contatto un corpo neutro con uno carico

Spostamento di cariche da un corpo all’altro

Conduttori

Induzione

Mettere corpo carico vicino a conduttore scarico divisibile in due. Dividendo in due il conduttore prima di allontanare l’induttore ho suddiviso la carica

Le cariche sul conduttore subiscono al forza elettrica e si redistribuiscono.

conduttori

Cariche elettriche


Consideriamo due cariche elettriche puntiformi q1 e q2. Puntiforme significa che le dimensioni fisiche dei due corpi che portano le cariche sono trascurabili rispetto alla loro distanza e quindi possono essere considerati dei punti.La Terra(r=6400 Km) nonè puntiformerispetto a meche ci cammino sopra.

La Terra èpuntiformerispetto allaVia Lattea(r=105 anni-luce)

Legge di Coulomb


Per due cariche elettriche puntiformi Coulomb nel 1785 adoperò una bilancia di torsione con cui misurò la forza elettrica tra due sferette cariche con la forza elastica che manteneva in equilibrio la bilancia.

Bilancia appesa a un filo, con una pallina conduttrice e un contrappeso. Altra pallina conduttrice fissa.Misurando di quanto ruota il manubrio su una scala graduata (misura di ), si risale all’intensità della forza.

Bilancia di torsione

Legge di Coulomb


Coulomb nel 1785 osservò sperimentalmente che:due cariche elettriche puntiformi poste a distanza r si scambiano una forza F di modulo :

1)

2)

3) direzione la congiungente le cariche

4) segni concordi repulsiva discordi attrattiva

2

1

rF

21 qqF

Legge di Coulomb


221

04

1

r

qqF

La forza di Coulomb F: descrive la forza che si scambiano due cariche puntiformi q1 e q2 poste a distanza r una dall’altra.

Ciascuna particella esercita una sull’altra una forza di intensità F (coppia azione – reazione)

F agisce lungo la congiungente le due cariche

La forza F può essere attrattiva o repulsiva a seconda del segno delle cariche

Unità di misura della carica elettrica


L’unità della carica elettrica nel S.I. è il Coulomb [C]

La carica elettrica di 1 C è definita come quella carica che posta nel vuoto alla distanza di 1 m da una carica elettrica uguale la respinge con una forza di 8.99 109 N

04

1

k

2

291099,8C

mN

2

212

0 10854,8mN

C

costante dielettrica assoluta del vuoto

costante elettrostatica del vuoto

dove:

Forza di Coulomb nella materia


La legge di Coulomb vale nel vuoto. Ripetendo l’esperimento in un mezzo isolante, si trova una

forza Fmezzo che è minore di quella misurata nel vuoto Fvuoto.:

Fmezzo < Fvuoto

Il rapporto fra la forza Fvuoto nel vuoto e la forza Fmezzo in un mezzo è una costante indipendente dalle cariche che dipende solo dal materiale e che si chiama:

costante dielettrica relativa:

r 1 sempre (vale 1 solo nel vuoto) r è un numero puro

mezzo

vuotor

F

F

In presenza di un dielettrico omogeneo in tutte le leggi dell’elettrostaticaa 0 si sostituisce = 0 r

221

221

0 4

1

4

1

r

qq

r

qqF

r

Costante dielettrica relativa


Mezzo r Mezzo r Mezzo r

Aria 1,00059

Alcol etilico

28 Plexiglas

3,4

Vapor acqueo

1,00060

Zucchero 3,3 PVC 4,5

Acqua 80 Vetro 5-15 Ambra 2,8

Ghiaccio

75 Silicio 12 Legno 3-7

Legge di Coulomb vs legge gravitazione


221

r

qqkF

2

21

r

mmGF

• k costante naturale• Forza a distanza• Intensità inversamente

proporzionale a quadrato della distanza

• Può essere sia attrattiva che repulsiva

• Agisce solo fra corpi dotati di carica elettrica

• Cambia al variare del mezzo in cui sono poste le cariche

• k = 8,99 109 N m2 / C2

(grosso!!!!)

• G costante naturale• Forza a distanza• Intensità inversamente

proporzionale a quadrato della distanza

• È solamente attrattiva• Agisce solo fra tutti i

corpi• Non cambia al variare

del mezzo in cui sono poste le masse

• G = 6,67 10-11 N m2 / kg2 (piccolo!!!!)

Legge di Coulomb vs legge gravitazione


221

r

qqkF

2

21

r

mmGF

Applicando la legge di Coulomb a 2 protoni che si trovano alla distanza di: e ricordando che la carica del protone vale:

si trova che la forza repulsiva tra due protoni vale:

m1510

Cp 19106,1

Nr

ppFn 230

4

12

0

Il valore della forza gravitazionale che si esercita tra due protoni in un nucleo ( ):

Confrontando questa forza attrattiva con quella elettrica repulsiva, si trova:

kgm p27107,1

NFg34102

gng

n FFN

N

F

F 363634

1010102

230

La forza gravitazionale è trascurabile rispetto alla forza elettrostatica!!!

Quanto è grande la carica di 1 Coulomb?


Un corpo elettrizzato ha la carica q = 1 C e per effetto della repulsione elettrostatica mantiene in equilibrio, sospeso nel vuoto a 1 m sopra di esso, un altro corpo avente la stessa carica di q = 1 C.Nel caso i due corpi siano considerati puntiformi, qual è la massa del corpo in equilibrio?

La massa si ottiene uguagliando la forza elettrica con la forza peso.

mgFe

kgsm

N

g

Fm e 8

2

9

1016,9/81,9

10988,8

2r

qqkFe

La carica elettrica di 1C è molto grande!!!! La carica di 1C esercita una forza pari a quella con la quale

la Terra attirerebbe una massa dell’ordine di 1 milione di tonnellate.

Principio di sovrapposizione


Il principio di sovrapposizione permette di estendere la legge di Coulomb al caso in cui si abbiano più di due cariche.

La forza elettrostatica totale risentita da una delle cariche q è la somma vettoriale di tutte le forze che ciascuna delle altre cariche: q1, q2, q3,… qN, eserciterebbe individualmente su di essa.

nFFFF ....21

Esercizio


-q1

-q3

+q2

r12

r13

F12

F13

32°

F1

Cq 2,11 Cq 7,32 Cq 3,23

cmr 1013 cmr 1512

32

Nr

qqF 77,1

4

12

12

21

012

Nr

qqF 48,2

4

12

13

31

013

NF 0;77,112

NF 10,2;31,113

NF 10,2;08,31

NFFF yx 73,321

211

34

2arccos

112

213

21

212

FF

FFF

xasserispetto 34

Trovare la forza F1 agente sulla carica q1

NF 73,31

Quantizzazione della carica elettrica


La carica elettrica è quantizzata(Esperienza di Millikan (*))

cioè non è possibile isolare cariche elettriche che siano frazioni di una carica elementare e carica dell’elettrone

e = -1,6 10-19 C

Ogni quantità di carica q è un multiplo intero di una certa carica elementare e

Il quark u ha qu = 2/3 e

Il quark d ha qd = -1/3 e

Il protone (u,u,d) ha carica 2/3e+2/3e-1/3e=e

Il neutrone (u,d,d) ha carica 2/3e-1/3e-1/3e=0

....3,2,1 nneq

L’unità di carica elementare e ha il valore:

(*) verrà illustrata in seguito

Conservazione della carica elettrica


La carica elettrica si conserva

Conservazionedella carica

Conservazionedell’energia

Nei processi di elettrizzazione la carica non viene creata, né distrutta, piuttosto la carica viene ridistribuita da un corpo all’altro in modo da creare sbilanci di cariche.

Se si sommano, con i rispettivi segni, tutte le cariche elettriche prima di un fenomeno, alla fine dello stesso il numero totale di cariche elettriche è rimasto invariato.

La conservazione della carica, come la conservazione dell’energia segue le LEGGI DI CONSERVAZIONE

Bibliografia


Alonso/Finn, Elementi di Fisica per l’Università, Inter Alonso/Finn, Elementi di Fisica per l’Università, Inter European Editions, AmsterdamEuropean Editions, Amsterdam

U.Amaldi, La fisica 3, ZanichelliU.Amaldi, La fisica 3, Zanichelli

A.Caforio, A.Ferilli, Fisica 3, Le MonnierA.Caforio, A.Ferilli, Fisica 3, Le Monnier

J. S. Walker Fisica, ZanichelliJ. S. Walker Fisica, Zanichelli

Halliday, Resnick, Walker, Elettromagnetismo, ZanichelliHalliday, Resnick, Walker, Elettromagnetismo, Zanichelli

J. D. Cutnell, K. W. Johnson, Fisica, Elettromagnetismo, J. D. Cutnell, K. W. Johnson, Fisica, Elettromagnetismo, ZanichelliZanichelli

elettrostatica l.s.g. oberdan c.pocecco elettrostatica pag. 1 la seguente presentazione è stata...

Documents