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appunti di fisica
lezione n. 1
• Proprietà elementari delle cariche elettriche
Strofinando con un panno di lana del vetro o della resina si evidenzia l’esistenza di due tipi di carica elettrica:
resinosa ⇔ carica negativa ⇔ elettroni
∗ vetrosa ⇔ carica positiva ⇔ protoni
Cariche dello stesso segno si respingono, mentre cariche di segno opposto si attraggono.
Unità di misura della carica elettrica nel S.I. “Coulomb”
definita tramite l’ampere
1C=1As
e = -1,6 • 10-19 C
Carica dell’elettrone :
A = ampere ; s = secondi
Carica del protone :
p = +1,6 • 10-19 C
• Conduttori :
1. conducono bene la corrente elettrica
2. ci sono al loro interno cariche libere di muoversi
Esempi : metalli (elettroni esterni)
soluzioni liquide (ioni disciolti sia positivi che negativi)
gas ionizzati (ioni ed elettroni)
• Isolanti :
1. non conducono la corrente elettrica
2. le loro cariche non sono libere di muoversi
Esempi : vetro, plastica, ceramica, legno secco etc.
• Tre modi di elettrizzazione :
1. Strofinio
2. Contatto
3. Induzione elettrostatica
conduttore
carico
+++++
+++++
conduttore
neutro


+
+
appunti di fisica
lezione n. 2
Forza tra cariche elettriche : LEGGE DI COULOMB
−F
F
q1
q q
F = K 122
r
nel S.I. (e per il vuoto) si ha K = 9 •109 Nm2/C2
r
q2
(valore molto grande)
la legge si può enunciare così :“la forza tra due cariche elettriche è direttamente proporzionale al
prodotto delle due cariche ed inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza”
La forza elettrica può essere sia attrattiva che repulsiva, a seconda dei segni delle cariche.
N.B.
la formula è simile a quella di Newton per la forza gravitazionale tra due masse :
F =G
m1 m2
r2
forza sempre attrattiva
2
2
G = 6,67 •10-11 Nm /kg (molto piccola)
∴ Esempi di calcolo
•
forza di attrazione elettrica tra protone ed elettrone nell’atomo di idrogeno
q1 = q2 =1,6 •10-19C
r = 5 •10-11 m (raggio dell’atomo)
Fel = K
•
−19
q1 q 2
C ⋅ 1,6 ⋅ 10 −19 C
9 1,6 ⋅ 10
=
9
⋅
10
≅ 9,2 ⋅ 10 −8 N
2
2
r
5 ⋅ 10 −11 m
(
)
forza di attrazione gravitazionale tra protone ed elettrone nell’atomo di idrogeno
m1 = 1,6 •10-27 kg
m2 = 9,1 •10-31 kg
Fg = G
−27
m1 m2
kg ⋅ 9,1 ⋅ 10 −31 kg
−11 1,6 ⋅ 10
=
6
,
67
⋅
10
≅ 3,9 ⋅ 10 − 47 N
2
2
11
−
r
5 ⋅ 10 m
(
)
Come si nota Fel >>Fg (di circa 2 •1039 volte !!) Questo ribadisce che la forza gravitazionale è
prevalente per oggetti come stelle, pianeti ... ossia per l’universo in grande, mentre a livello atomico è di gran lunga maggiore la forza elettrica.
Forza elettrica in un materiale isolante
In un materiale isolante la costante K viene ridotta di un fattore εr (costante dielettrica relativa del materiale),
cioè la forza è più piccola εr volte di quanto sarebbe nel vuoto, a causa della polarizzazione del materiale.
εr (aria) = 1,0003 praticamente come nel vuoto
Ad esempio
εr (acqua) = 80 perché la molecola di H2O è altamente polare
L’acqua è un buon solvente proprio perché la forza dei legami atomici viene ridotta di un fattore 80 rispetto
all’aria, quindi le molecole si dissociano facilmente in ioni positivi e negativi (es. cloruro di sodio Na+Cl ).
appunti di fisica
lezione n. 3
→
• Definizione del vettore campo elettrico E
→
F
Se noi mettiamo una carica di prova q in un
punto P dello spazio ed essa subisce una forza
elettrica, diremo che in quel punto agisce un
q
P
→
campo elettrico E .
La forza sulla carica q è direttamente proporzionale alla carica stessa, quindi il rapporto F/q è costante e viene usato per definire il campo elettrico
E in quel punto
La stessa cosa si può fare in tutti i punti dello
spazio definendo così come campo vettoriale il
→
→
E=
F
q
l’unità di misura
nel SI è N/C
→
campo elettrico E .
Il campo elettrico è uno degli oggetti fondamentali dell’elettrostatica.
• Campo elettrico prodotto da una carica puntiforme Q
Nel caso in cui la sorgente del campo elettrico sia una singola carica puntiforme Q, il
campo elettrico a distanza r da essa si calcola
con la formula qui a lato.
Q
E=K 2
r
Esso è diretto in direzione opposta a Q se positiva ; è diretto verso la carica se è negativa.
Si può vedere ad esempio la rappresentazione
grafica nei punti A e B, disegnata qui di seguito per il caso di carica sorgente Q positiva.
A
EA
Q
B
EB
• Campo elettrico prodotto da più cariche
puntiformi Q1, Q2, Q3, Q4 ...
Nel caso di più cariche puntiformi il calcolo del
campo elettrico si fa sommando vettorialmente
tutti i campi elettrici delle singole cariche. Trattandosi di una somma vettoriale, il calcolo è complicato.
→
→
→
→
→
E = E1 + E 2 + E 3 + E 4 + ....