IL CAMPO MAGNETICO; LE ESPERIENZE DI ØERSTED E FARADAY; FORZA DI LORENTZ; LEGGE DI BIOT-SAVAR; LEGGE DI AMPERE; LEGGE DI LENZ E IL VERSO DELLA CORRENTE INDOTTA; CIRCUITO RC; MAXWELL; TRASFORMAZIONI DI LORENTZ; RELATIVITA’ RISTRETTA; SPAZIO DI MINKOWSKI; RELATIVITA’ GENERALE; ERNST MACH; ESPERIMENTI; PRINCIPIO DI EQUIVALENZA; PRINCIPIO DI RELATIVITA’ GENERALE; MECCANICA QUANTISTICA; DUALISMO ONDA-PARTICELLA; L’EFFETTO FOTOELETTRICO; EINSTEIN E L’EFFETTO FOTOELETTRICO; DE BROGLIE; L’ATOMO DI BOHR; HEISENBERG E IL PRINCIPIO DI INDETERMINAZIONE; CHIMICA QUANTISTICA; MAX PLANK; EFFETTO COMPTON; ENGLISH PHYSIC; LA FISICA NEL WEB. LA MAGNETITE: è un minerale ferroso con le più intense proprietà magnetiche esistenti in natura. Un corpo a contatto con la magnetite acquisisce la capacità di attrarre i metalli che tenderà a diminuire col trascorrere del tempo. Si chiamano sostanze FERROMAGNETICHE i materiali che possono essere magnetizzati . I poli magnetici si differenziano in polo Sud e polo Nord, essi generano un campo magnetico nello spazio circostante. Spostando il magnete si ottiene una traiettoria che prenderà il nome di linea di forza , in cui il vettore campo magnetico è tangente in ogni punto. Si chiamano sostanze PARAMAGNETICHE quelle attratte da un campo magnetico di una calamita (alluminio). Si chiamano sostanze DIAMAGNETICHE quelle che sono debolmente respinte da un campo magnetico di una calamita (rame). CRITERIO DI FARADAY: afferma che si designano linee più intense laddove il campo magnetico è più forte. Se le cariche elettriche sono ferme non si hanno fenomeni magnetici. Se le cariche sono in moto esse hanno anche una forza magnetica. Nel primo caso il campo magnetico creato dell'ago è estremamente piccolo tanto da pensarsi nullo .L'esperienza dimostra che ogni volta che siamo in presenza di un flusso di carca elettrica questo è causa del generarsi di un campo magnetico La seconda esperienza dimostra che così come due calamite poste ad una certa distanza interagiscono, se una carica fluisce in un conduttore il campo da essa generato interagisce col campo di un magnete generando una forza(in pratica la carica in movimento oltre a costituire la corrente elettrica si comporta come un magnete) . Per definire il verso della forza si utilizza la regola della mano destra . Due fili a contatto generano due campi magnetici che si influenzano l’un l’altro. Due fili paralleli si attraggono se sono attraversati da cariche dello stesso verso e si respingono se attraversati da cariche di verso diverso. Se un campo magnetico esercita una forza su un conduttore percorso da corrente, è lecito pensare che ogni particella carica che si muove in un campo magnetico subisce una forza, poiché la corrente è costituita da cariche in movimento. Questa forza è la Forza di Lorentz, così detta dal nome del fisico olandese Hendrik Antoon Lorentz (18531928), premio Nobel per la fisica nel 1902. Per calcolare l'intensità della forza di Lorentz partiamo dalla forza esercitata su un tratto di filo di lunghezza l percorso da una corrente I: Una particella con carica q che si muove in quel tratto di filo produce una corrente data dalla sua intensità di carica nell'unità di tempo, quindi: Se la particella si muove con velocità uniforme v, percorre un tratto l in un tempo t e la corrente si può scrivere: così l'intensità della forza di Lorentz diventa: Nel 1820, i fisici francesi Jean-Baptiste Biot e Félix Savart svolsero numerosi studi e riuscirono a formulare una legge, la legge di Biot-Savart appunto, che serve a determinare il campo magnetico B⃗ B→ prodotto in un punto dello spazio da un filo rettilineo percorso da corrente elettrica. Essa afferma che se si considera un filo rettilineo, percorso da corrente di intensità II, e ci si ponga in un punto PP nello spazio, posto ad una distanza rr dal filo. Allora in PP è presente un campo magnetico B⃗ =B⃗ (P)B→=B→(P) dotato di: • Modulo dato dalla seguente formula: 𝜇0 𝐼 B= 2𝜋 𝑟 Il simbolo μ0, che si legge “mi zero” è una costante detta permeabilità magnetica del vuoto. • Verso indicato dalla regola della mano destra: se indichiamo con il pollice della mano destra il verso di percorrenza della corrente all’interno del filo e chiudiamo le altre dita sul palmo, avremo il verso in cui punta B⃗. Regola della mano destra. Nel 1820, subito dopo la scoperta sperimentale di Oersted, il fisico francese Andrè Marie Ampère iniziò una serie di esperimenti per approfondire le connessioni tra elettricità e magnetismo. Le conclusioni sperimentali di Ampère furono le seguenti: • Le correnti elettriche esercitano forze sui magneti; • I magneti esercitano forze sulle correnti elettriche; • Le correnti interagiscono tra loro. Ampère formulò un principio di equivalenza tra correnti e magneti: Un circuito percorso da corrente si comporta come un magnete. 𝜇0𝐼 B= 2𝑅 TEOREMA DI AMPERE: La circuitazione del vettore campo magnetico B effettuata lungo un qualsiasi cammino chiuso è uguale al prodotto del coefficiente di permeabilità magnetico per la sommatoria delle intensità concatenate. Se la corrente circolasse in senso orario in un circuito, il campo magnetico indotto sarebbe rivolto nello stesso verso del campo magnetico generato da una calamita. Questo fa sì che il campo magnetico totale e la corrente indotta aumentino e generino un nuovo campo magnetico. Ciò non è possibile poiché aumenterebbe all’infinito la corrente. Tale situazione va in contrasto con il principio della conservazione dell’energia. La corrente deve scorrere in senso antiorario per contrastare l’aumento del campo magnetico generato dall’avvicinamento della calamita. Per questo motivo si utilizza il segno – nella legge di Faraday-Neumann. Corrente indotta Il verso della corrente indotta è sempre tale da opporsi alla variazione del flusso magnetico che la genera. Formula: La variazione della corrente in un circuito elettrico genera una forza elettromotrice indotta nel circolo stesso. Questo fenomeno si chiama autoinduzione. • La corrente, che prima era nulla, cresce rapidamente creando un campo magnetico sempre più intenso attraverso la superficie del circuito stesso; • Così il flusso del campo magnetico attraversando il circuito aumenta e si genera una corrente indotta che, per la legge di Lenz, tende ad opporsi alla variazione di flusso che l’ha generata; • L’effetto complessivo di queste due correnti che circolano contemporaneamente in versi opposti, è quello di rallentare la crescita della corrente nel circuito. In questo circuito la corrente fluisce in senso orario. Quando il circuito si chiude fluiscono le cariche, esse si accumulano sulle armature. La velocità del processo rallenta per l’azione repulsiva delle cariche. 𝑞 Per la legge delle maglie ƒ- − Ri = 𝑐 𝑑𝑞 Essendo la corrente i= 𝑑𝑡 𝑞 𝑑𝑞 ƒ= + R [equazione differenziale] 𝑐 𝑑𝑡 𝑐ƒ−𝑞 dq= dt 𝑅𝐶 Esempio di circuito RC 0 Prima ipotesi di Maxwell: seguendo le idee di Faraday secondo le quali esiste una profonda unità tra campo elettrico e magnetico, Maxwell propose che, cosi come una variazione di flusso magnetico produce un campo elettrico, uno variazione di flusso elettrico possa produrre un campo magnetico. Seconda ipotesi di Maxwell: secondo questa ipotesi del processo di scarica di un condensatore, tra le armature che si stanno scaricando è come se circolasse una corrente detta corrente di spostamento. Essa produce tra le armature del condensatore un campo magnetico analogo a quello che produce la corrente elettrica nel filo che unisce le armature, secondo il teorema di Ampere. Maxwell propose per la corrente di spostamento una formula analoga a quella di Faraday 𝑖𝑠 = ε𝑜 Δϕ𝑠 ( ) 𝐸 Δ𝑡 (esprime la legge di Faraday) Considerando un tempo infinitamente piccolo: 𝑖𝑠 = ε𝑜 𝑑 𝑑𝑡 ϕ𝑠 ( ) 𝐸 Una delle conseguenze più importanti dell’equazione di Maxwell è che anche in assenza di cariche elettriche e di correnti elettriche può svilupparsi un campo elettromagnetico che si propaga sotto forma di onde. (esempio: la luce) La velocità di propagazione dell’onda è prevista dall’equazione di Maxwell nel vuoto e vale: V= 1 𝜀𝑜 𝜇𝑜 Il valore di tale velocità risultò essere molto simile a quello della luce nel vuoto, ciò fece supporre che la luce fosse una manifestazione delle onde elettromagnetiche ipotizzato da Maxwell. Le trasformazioni di Lorentz partono dalle trasformazioni galileiane, differendo però da queste ultime di un fattore gamma, noto come fattore di Lorentz. In pratica, attraverso queste equazioni, Lorentz, in collaborazione con Fitzegerald, ha cercato di giustificare il risultato negativo dell'esperimento di Michelson e Morley ipotizzando che i corpi che si muovono con velocità v rispetto all'etere subiscono una contrazione longitudinale dovuta a modificazioni temporanee strutturali della materia. Ricorda: l’etere è il sistema di riferimento inerziale assoluto, privilegiato, rispetto al quale le onde elettromagnetiche che si propagano con velocità costante. Trasformazioni di Lorentz x’= 𝑥−𝑣 𝑡 𝑣2 1− 2 𝑐 Trasformazioni galileane x’= x - vt y’= y y’= y z’= z z’= z 𝑣′ 𝑥 t’= 𝑡− 𝑐 𝑣2 1− 2 𝑐 t’=t Non sono invarianti: • La distanza spaziale; • La distanza temporale; • la lunghezza di un segmento; • ∆𝑠 è 𝑙𝑎 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑧𝑎 𝑠𝑝𝑎𝑧𝑖𝑜 − 𝑡𝑒𝑚𝑝𝑜𝑟𝑎𝑙𝑒 𝑡𝑟𝑎 𝑑𝑢𝑒 𝑒𝑣𝑒𝑛𝑡𝑖; Assoluto: -intervallo spazio-temporale; -velocità della luce; Relativo: -la coordinata spaziale; -la coordinata temporale; -la lunghezza; -la distanza spaziale; -la distanza temporale; -la velocità; Il paradosso dei gemelli Per il fatto che il tempo non è un invariante, Minkowski ideò una quadrupla di valori che nelle trasformazioni di coordinate tra due riferimenti inerziali rispetta le trasformazioni di Lorentz. Per queste considerazioni le coordinate di un punto-evento non si scrivono x, y, z, e t ma in realtà sono x, y, z, ct. Moltiplicando l’asse dei tempi per la velocità della luce come se fosse sottinteso che c=1, in questo modo si possono misurare posizioni e tempi con le stesse unità di misura. Massa relativistica in funzione della velocità: m= 𝑚𝑜 𝑣2 1− 2 𝑐 Fattore di Lorentz = 𝛾 𝑚𝑜 Massa in movimento: è una grandezza variabile a seconda della velocità. Massa a riposo: è una caratteristica del corpo detta massa invariabile. Deve essere equiparabile a quella della luce. La quantità di moto non è direttamente proporzionale alla velocità, ma si conserva se il sistema è isolato. 𝑝 =m 𝑣 = 𝑚𝑜 𝑣 𝑣2 1− 2 𝑐 = 𝛾 𝑚𝑜 QUANTITA’ DI MOTO 𝑣 K= m𝑐 2 - 𝑚𝑜 𝑐 2 ENERGIA CINETICA Se un corpo di massa m è soggetto ad una forza costante F nella direzione della sua velocità v, l’ accelerazione che il corpo subisce è data da: e ∆𝑉 = ( 𝐹 𝑚 a= 𝐹 𝑚 )∆𝑡 Relazione tra massa ed energia: Dopo alcune considerazioni sull’energia cinetica e sull’energia totale di un corpo, Einstein pervenne alla famosissima relazione : E=𝑚 𝑐 2 = 𝛾 𝑚𝑜 𝑐 2 Essendo le due grandezze ( E ed m) direttamente proporzionali, possono essere equivalenti. Relatività generale secondo Einstein: • i sistemi di riferimento inerziali non possono avere un ruolo privilegiato; • le leggi della fisica devono essere uguali per tutti gli osservatori qualunque sia il loro moto relativo; RICORDA: si dice massa inerziale la resistenza che oppone un corpo alla variazione del suo stato di quiete o di moto rettilineo uniforme. Si dice massa gravitazionale la misura della forza di interazione di un corpo con la forza gravitazionale. Essa è proporzionale al peso di un corpo. Il fisico Mach suppose che l’inerzia di un corpo nasce dall’interazione con la materia dell’universo. Di conseguenza la massa è legata ad una forza come la massa gravitazionale è associata alla forza di gravità. CONSIDERZIONI DI EINSTEN: Partendo da Mach , Einstein capì che l’assumere uguali le due masse equivale ad assimilare un sistema uniformemente accelerato a un campo gravitazionale. «SE UNA PERSONA CADE LIBERAMENTE , NON HA PIU’ LASENSAZIONE DEL PROPRIO PESO.» ( Einstein 1907) Ascensore a sinistra: se l’ascensore è fermo rispetto alla Terra , i corpi sono soggetti all’ accelerazione di gravità g. Ascensore a destra: se l’ascensore è in caduta libera nel campo gravitazionale , i corpi galleggiano nell’aria come se fossero privi di peso. Astronave a sinistra: se l’astronave si trova in una zona dello spazio a gravità trascurabile, i corpi al suo interno sono sospesi. Astronave a destra: se l’astronave ha un’accelerazione a= -g orientata verso l’alto , i corpi cadono sul pavimento. UN SISTEMA DI RIFERIMENTO NON INERZIALE E’ UGUALE AD UN CAMPO GRAVITAZIONALE. Principio di equivalenza: tutti i sistemi di riferimento inerziali in un campo gravitazionale uniforme sono equivalenti ai sistemi di riferimento uniformemente accelerato in un campo gravitazionale nullo. Principio di relatività generale: le leggi della fisica assumono la stessa forma in relazione ad ogni sistema di riferimento. Un effetto della curvatura dello spazio-tempo è la formazione delle GEODETICHE che rappresentano le linee più brevi che uniscono due punti di uno spazio. La relatività ristretta prevede uno spazio-tempo ’’piatto’’, mentre quella generale lo considera come incurvato dalle masse. Nel 1900 Plank introdusse l’idea che l’emissione e l’assorbimento d’energia elettromagnetica fossero quantizzate. Nel 1913 Bohr interpretò le linee spettrali dell’atomo di idrogeno attraverso una matrice stocastica, ricorrendo alla quantizzazione del moto orbitale dell’elettrone. Nel 1922 Heisenberg formulò il principio di indeterminazione. Nel 1905 Einstein spiegò l’effetto fotoelettrico partendo dall’ipotesi che l’energia del campo elettromagnetico fosse trasportata da quanti di luce. Nel 1925 Heisenberg formulò la meccanica delle matrici. Nel 1924 Look de Broglie elaborò la teoria delle onde materiali secondo cui ai crepuscoli materiali possono essere associate proprietà ondulatorie. Nel 1915 Sommerfield generalizzò i risultati ottenuti da Bohr. Nel 1926 Schrodinger elaborò la meccanica ondulatoria. Nel 1927 Dirac applicò alla meccanica quantistica la relatività ristretta. Il nome ’’Meccanica Quantistica’’ venne dato da Max Plank e si basa sul fatto che alcune quantità di certi sistemi possono variare soltanto di alcuni valori descritti, chiamati quanti. Nella meccanica classica la luce è descritta solo come un’onda e l’elettrone solo come una particella mentre nella meccanica quantistica vengono descritte la radiazione e la materia sia come un fenomeno ondulatorio che come entità particellari. DUALISMO ONDA –PARTICELLA Questo fenomeno si riferisce al principio di complementarietà, secondo il quale, le particelle elementari come l’elettrone o fotone mostrano una duplice natura, sia corpuscolare che ondulatoria. EFFETTO FOTOELETTRICO Inizialmente la luce era considerata un’onda per cui la forza di espulsione degli elettroni sarebbe dovuta dipendere solo dall’intensità della luce e non dalla sua frequenza. Al variare dell’intensità cambiava soltanto il numero di elettroni espulsi, ma la velocità di espulsione degli elettroni restava invariata. Si trattava quindi di un fenomeno qualitativo e non quantitativo. EINSTEIN E L’EFFETTO FOTOELETTRICO Einstein ipotizzò che la luce era una particella. Ogni ’’pacchetto di luce’’ possedeva energia che risultava essere proporzionale alla sua frequenza secondo la formula di Plank. Egli giustificò l’effetto fotoelettrico postulando l’esistenza di quanti di luce. In tale lavoro compariva un equazione che legava l’energia di un fotone E con la frequenza della luce v: E= hv DE BROGLIE Egli ipotizzò che dato che la luce possedeva proprietà ondulatorie, tutta la materia avesse anch’essa proprietà ondulatorie. A un corpo con quantità di moto p veniva associata un’onda di lunghezza d’onda 𝜆 𝜆= Atomo di Bohr ℎ 𝑝 Bohr spiegò perché soltanto certe radiazioni possono interagire con gli atomi e quale relazione intercorre tra radiazione luminosa e struttura atomica. Bohr perfezionò il modello di Rutherford e riuscì a spiegare la stabilità degli atomi. Se un fotone viene assorbito da un atomo cede tutta la sua energia a uno dei suoi elettroni. Caratteristiche dell’atomo di Bohr e di quello di De Broglie HEISENBERG PRINCIPIO DI INDETEMINAZIONE Il principio di indeterminazione di Heisenberg fornisce la relazione tra la natura ondulatoria e corpuscolare delle particelle. Esso afferma che è impossibile ottenere con precisione esatta la completa determinazione dello spazio e del tempo. COME PALLE DA BILIARDO… Questo esperimento evidenziò che la radiazione uscente veniva deviata in tutte le direzioni e che la frequenza dell’energia in uscita era molto più piccola di quella del fascio in entrata. La spiegazione era che i fotoni urtassero contro gli elettroni della materia e, colpendoli, fossero deviati e perdessero energia. Si comportavano quindi come palline da biliardo. LA CHIMICA QUANTISTICA Un orbitale atomico è una funzione d’onda che descrive il comportamento di un elettrone in un atomo. Secondo il principio di indeterminazione non è possibile conoscere simultaneamente posizione e quantità di moto di una particella come l’elettrone. MAX PLANK Il fisico Max Plank elaborò un’equazione che è pari a: h= 6,62606957 * 𝟏𝟎−𝟑𝟒 Js= 4,135667516 * 𝟏𝟎−𝟏𝟓 L’EFFETTO COMPTON Nel 1923 il fisico americano A. H. Compton confermò sperimentalmente l'interpretazione quantistica e corpuscolare della radiazione elettromagnetica, dimostrando che l'urto tra un fotone ed un elettrone libero segue le note leggi di conservazione dell'energia e della quantità di moto. Compton bombardò un blocco di grafite con un fascio monocromatico ben collimato di raggi X di lunghezza d'onda λ e misurò la lunghezza d'onda λ' del fascio diffuso in funzione dell'angolo di diffusione θ. I risultati sperimentali dimostrarono che il raggio diffuso aveva sempre una lunghezza d'onda maggiore del raggio incidente. Lo spostamento Compton Δλ = λ' - λ è legato all'angolo di diffusione θ dalla seguente relazione: Δλ = h / m0 c (1 - cos θ) dove h è la costante di Plank, m0 la massa a riposo dell'elettrone e c la velocità della luce La lunghezza d'onda della radiazione diffusa può quindi variare da 0 fino ad un massimo di 2 h / m0 c. Secondo la teoria classica il fascio diffuso avrebbe dovuto avere la stessa frequenza di quello incidente: gli elettroni della grafite avrebbero dovuto oscillare con la stessa frequenza dell'onda incidente ed emettere quindi una radiazione della identica frequenza. Compton spiegò che il fenomeno poteva essere interpretato pensando alla radiazione come un flusso di fotoni, ciascuno di energia E = h f , che urtano elasticamente, come palle da biliardo, contro gli elettroni liberi della grafite. Un fotone che urta contro un elettrone immobile, gli trasferisce energia e quantità di moto, cambiando direzione dopo l'urto. Poiché nella collisione parte dell'energia iniziale del fotone viene ceduta come energia cinetica all'elettrone, per la conservazione dell'energia, il fotone diffuso deve avere un'energia E' = h f' minore di quella iniziale e quindi una lunghezza d'onda λ' maggiore di quella iniziale. FOTONE-ELETTRONE ELETTRONE ESPULSO ENGLISH PHYSICS: RELATIVITY The observers in different inertial frames may measure different time intervals between a pair of events by considering a vehicle moving to the right with a speed v. We could dimostrate it with the theory of Relativity. In this experiment the mirror is fixed to the ceiling of the vehicle and an observer O’ at rest in this system holds a laser a distance d below the mirror. At some instant, the laser emits a pulse of light directed toward the mirror, and at some later time after reflecting from the mirror, the pulse arrives back at the laser. Observer O’carries a clock and uses it to measure the time interval ∆𝑡𝑝 between these two events which she views as occuring at the same place. The time that the pulse takes it to travel from point A to the mirror and back to point A is: ∆𝑡𝑝 = 𝐷𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒 𝑡𝑟𝑎𝑣𝑒𝑙𝑒𝑑 𝑆𝑝𝑒𝑒𝑑 = 2𝑑 𝑐 The time interval ∆𝑡𝑝 measured by O’ requires only a single clock located at the same place as the laser in this frame. Now consider the same set of events as viewed by O in a second frame. According to this observer, the mirror and laser are moving to the right with a speed v, and as a result, the sequence of events appears different. By the time the light from the laser reaches the mirror, that has moved to the right a ∆𝑡 distance v , where ∆𝑡 is the time it takes the light pulse to travel from point A to the 2 mirror and back to point A as measured by O. In other words, O concludes that, because of the motion of the vehicle, if the light is to hit the mirror, it must leave the laser at an angle with respect to the vertical direction. According to the second postulate of the theory of relativity, both observers must measure c for the speed of light. Because the light travels farther in the frame of O, it follows that the time interval ∆𝑡 measured by O is longer than the time interval ∆𝑡𝑝 measured by O’. In this sense we have: 𝑐∆𝑡 2 = 2 𝑣∆𝑡 2 2 + 𝑑2 Solving for ∆𝑡 yields 2𝑑 ∆𝑡 = 𝑐 2 − 𝑣2 = 2𝑑 𝑣2 𝑐 1− 2 𝑐 𝑑 Because ∆𝑡𝑝 = 2 𝑐 , we can express this result as: ∆𝑡 = ∆𝑡𝑝 𝑣2 1− 2 𝑐 = ᵞ∆𝑡𝑝 Where : ᵞ= 1 𝑣2 1− 2 𝑐 N.B. The time interval Δt between two events measured by an observer moving with respect to a clock is longer than the time interval Δ𝑡𝑝 between the same two events measured by an observer at rest with respect to the clock. LA FISICA NEL WEB: Per la nostra presentazione di fisica abbiamo pensato di creare un sito web con Altervista per inserire diversi articoli riguardanti, ad esempio, la relatività. Siamo riuscite ad ottenere dei buoni risultati fin da subito, tanto che abbiamo ricevuto commenti positivi da vari visitatori. Vi alleghiamo il link di tale sito e speriamo che vi possa piacere e che apprezzerete questo collegamento tra fisica ed informatica! http://iltaudellafisica.altervista.org/ PRESENTAZIONE SVOLTA DA: VALERIA CRISPO, BENEDETTA DE LISO, DOMENICA BALSAMO & MARIA DE ROSA.