CORRENTE ELETTRICA
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Fisicaa Applicata, Area Tecnica , M. Ruspa CORRENTE ELETTRICA Il moto ordinato di cariche elettriche all’interno di un materiale è detto CORRENTE ELETTRICA. La corrente che scorre all'interno di un corpo non e' qualcosa che viene dall'esterno: sono le cariche elettriche contenute in quel corpo che si muovono I = q/t Intensita’ di corrente >> Unita’ di misura nel S.I. : [A] Ampere 1A=1C/1s 1 Fisicaa Applicata, Area Tecnica , M. Ruspa CONDUTTORI E ISOLANTI Le proprieta’ elettriche di un corpo dipendono in modo determinante dal fatto che siano disponibili o meno al suo interno cariche elettriche libere di muoversi 2 Fisicaa Applicata, Area Tecnica , M. Ruspa DIFFERENZA DI POTENZIALE Affinche’ una o piu’ cariche si muovano tra due punti nello spazio e’ necessario che tra i suddetti punti ci sia una differenza di potenziale elettrico (simbolo ΔV) Per comprendere il ruolo del potenziale elettrico e della differenza di potenziale e’ utile l’analogia con il flusso di acqua di un fiume. L’acqua (equivalente della carica elettrica in questa analogia) scorre solo tra due punti tra cui ci sia una differenza di altezza. >> Unita’ di misura nel S.I. : [A] Ampere 1A=1C/1s 3 Fisicaa Applicata, Area Tecnica , M. Ruspa CIRCUITI ELETTRICI Prendiamo due corpi, uno carico positivamente e l’altro carico negativamente, tra cui esiste una differenza di potenziale V1 + - V2 Collegando i due corpi con un filo di materiale condutture le cariche negative si muoveranno verso il corpo carico positivamente per azzerare la differenza di potenziale V1 + - V2 Collocando una lampadina lungo la strada delle cariche è possibile accenderla V1 + - V2 4 Fisicaa Applicata, Area Tecnica , M. Ruspa CIRCUITI ELETTRICI Per mantenere il moto delle cariche serve un generatore di differenza di potenziale (ΔV) Generatore di + differenza di potenziale DV ΔV=V1-V2 Dispositivo elettrico semplice Spesso la differenza di potenziale viene anche chiamata forza elettromotrice (f.e.m.) o tensione 5 Fisicaa Applicata, Area Tecnica , M. Ruspa ESEMPI DI GENERATORI DI TENSIONE Pile Batteria da 12V per auto L'elettricità che arriva nelle nostre case è prodotta in apposite centrali elettriche e viaggia attraverso linee lunghe anche centinaia di chilometri 6 Fisicaa Applicata, Area Tecnica , M. Ruspa LEGGE DI OHM, RESISTENZA ELETTRICA Generatore di tensione (pila, dinamo, ..) I + - ΔV Resistenza elettrica R (lampadina, stufa, ...) R ΔV = R ⋅ I >> Unita’ di misura nel S.I. : [Ω] ohm 1V= 1Ω × 1A € 7 Fisicaa Applicata, Area Tecnica , M. Ruspa 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 8 Fisicaa Applicata, Area Tecnica , M. Ruspa POTENZA ELETTRICA Lavoro compiuto dalle forze elettriche per portare una carica q da A a B: I A + - ? ΔV Potenza elettrica: B I L’energia fornita dal generatore elettrico viene dissipata in R sotto forma di calore (effetto Joule) 9 Fisicaa Applicata, Area Tecnica , M. Ruspa ELETTRICITA’ PER USO DOMESTICO L'elettricità che arriva nelle nostre case è prodotta in apposite centrali elettriche e viaggia attraverso linee lunghe anche centinaia di chilometri 10 Fisicaa Applicata, Area Tecnica , M. Ruspa CORRENTE ALTERNATA La differenza di potenziale tra i due poli di una comune presa di corrente e’ alternata, ovvero presenta un andamento periodico con pocchi positivi e picchi negativi (in Europa +-310 V a 50 Hz) Si puo’ dimostrare che la potenza media dissipata nella resistenza e’ uguale a quella che si avrebbe se alla resistenza fosse applicata una differenza di potenziale costante di 220 V 11 Fisicaa Applicata, Area Tecnica , M. Ruspa CONDUZIONE ELETTRICA NEL CORPO UMANO Il corpo umano è un buon conduttore elettrico perché nei suoi liquidi vi è un’elevata concentrazione di ioni. La resistenza offerta al passaggio di corrente dipende dai punti tra cui è applicata la tensione e dalle condizioni: la pelle secca è isolante (R=2kW), se bagnata conduce (R=2W) Il passaggio di corrente può sviluppare calore, soprattutto nei punti in cui la corrente esce ed entra dal corpo, e causare scottature e ustioni Se la corrente attraversa la regione cardiaca possono prodursi eccitazioni che interferiscono con l’attività di cuore e polmoni Tempi di esposizione alla corrente brevi (< 1s) non sono in genere pericolosi 12 Fisicaa Applicata, Area Tecnica , M. Ruspa Conduzione elettrica nel corpo umano Tempi di esposizione lunghi ad una corrente alternata con frequenza 50Hz possono dar luogo a: I ~ 1 mA 10 mA 70 mA 100÷200 mA > 200 mA ok tetanizzazione dei muscoli difficoltà di respirazione fibrillazione ustioni e blocco cardiorespiratorio Se assumiamo per il corpo umano una R=2kW (pelle asciutta) il contatto accidentale con la tensione alternata presente nelle nostre case darebbe luogo ad una corrente: Potenzialmente mortale Per questo nelle case ci sono dispositivi di messa a terra e un interruttore salvavita che controlla la corrente che circola nell’impianto e interrompe il circuito in pochi ms se riscontra anomalie 13 Fisicaa Applicata, Area Tecnica , M. Ruspa FENOMENI MAGNETICI 14 Fisicaa Applicata, Area Tecnica , M. Ruspa MAGNETISMO Il magnetismo è un’altra delle proprietà fondamentali della materia Alcune pietre (calamite naturali o magneti) si attraggono a vicenda ed attraggono materiali come il ferro o l’acciaio Un pezzo di acciaio temperato in presenza di un magnete acquista proprietà magnetiche che non perde neppure quando lo si separa dal magnete: diventa una calamita permanente 15 Fisicaa Applicata, Area Tecnica , M. Ruspa LA TERRA E’ UNA GRANDE CALAMITA Un ago calamitato libero di girare intorno al suo centro (bussola) assume rispetto alla terra una posizione definita, orientandosi lungo la direzione nord-sud. L’estremità dell’ago che si orienta verso Nord si chiama “Polo Nord” del magnete. Analogamente è chiamata “Polo Sud” l’estremità che si rivolge a Sud Anche la Terra si comporta come una grande calamita 16 Fisicaa Applicata, Area Tecnica , M. Ruspa POLI MAGNETICI Qualunque magnete, come l’ago magnetico, presenta un Polo Nord e un Polo Sud. Se si spezza in due un magnete si ottengono 2 magneti, ciascuno con un Polo Sud e un Polo Nord. La stessa cosa accade se dividiamo in due i “magnetini” ottenuti. Fino ad oggi non si è ancora riusciti ad individuare un oggetto magnetico costituito da un ‘unico polo Il polo Nord di una calamita respinge il polo Nord di un’altra calamita, mentre attrae il suo Polo Sud Poli uguali si respingono Poli opposti si attraggono repulsione attrazione 17 Fisicaa Applicata, Area Tecnica , M. Ruspa APPLICAZIONI MEDICHE DI ELETTRICITA’ e MAGNETISMO Diverse sono le apparecchiature mediche che utilizzano campi elettrici e magnetici 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 Defibrillatore: se alla regolare attività elettrica del cuore subentra un’attività continua e anarchica si ha fibrillazione ventricolare con arresto della circolazione. Se il cuore in fibrillazione è attraversato da una corrente elettrica intensa ma di breve durata, le cellule cardiache vengono simultaneamente depolarizzate e possono riprendere il giusto ritmo. 18 Fisicaa Applicata, Area Tecnica , M. Ruspa FENOMENI ONDULATORI 19 Fisicaa Applicata, Area Tecnica , M. Ruspa ONDA Oscillazione ma ... di che cosa? Oscillazione della posizione, velocità, accelerazione di un mezzo materiale ONDA ELASTICA (esempio: onde del mare, onde sonore, onde lungo una corda vibrante) Oscillazione dei vettori campo elettrico e magnetico ONDA ELETTROMAGNETICA si propaga anche nel vuoto Se l’oscillazione si ripete ad intervalli regolari l’onda è detta periodica 20 Fisicaa Applicata, Area Tecnica , M. Ruspa LUNGHEZZA D’ONDA Immaginiamo di fotografare una corda in oscillazione otteniamo un’istantanea a tempo fissato Lunghezza d’onda: distanza tra due massimi successivi; si indica con λ (“lambda”) e si misura in metri 21 Fisicaa Applicata, Area Tecnica , M. Ruspa PERIODO Immaginiamo di fissare sempre lo stesso punto di una corda in oscillazione al trascorrere del tempo otteniamo una ripresa a spazio fissato Periodo: distanza tra due massimi successivi; si indica con T e si misura in secondi Frequenza: l’inverso del periodo, f = 1/T, si misura in secondi-1 22 Fisicaa Applicata, Area Tecnica , M. Ruspa VELOCITA’ DI PROPAGAZIONE velocità = spazio/tempo velocità = lunghezza d’onda/periodo v = λ/T = λf Si osservi che lunghezza d’onda e frequenza sono inversamente proporzionali 23 Fisicaa Applicata, Area Tecnica , M. Ruspa ONDE ACUSTICHE ONDE ACUSTICHE: compressione e rarefazione aria ‘onde di pressione’ Δp = Δpo sen(2 π ⋅ x λ ) • Se di frequenza compresa tra 20 Hz e 20000 Hz suono udibile dall’orecchio umano • Sotto i 20 Hz infrasuoni € • Sopra i 20000 ultrasuoni Numerose applicazioni mediche, per esempio flussimetria Doppler e ecografia a ultrasuoni 24 Fisicaa Applicata, Area Tecnica , M. Ruspa ONDE ACUSTICHE Materiale Velocità di propagazione Aria 344 m/s Acqua 1480 m/s Tessuto corporeo 1570 m/s Legno 3850 m/s Alluminio 5100 m/s Vetro 5600 m/s NOTA: Nel passaggio tra due mezzi con diverse velocità di propagazione, la frequenza dell’onda si mantiene inalterata mentre varia la lunghezza d’onda. 25 Fisicaa Applicata, Area Tecnica , M. Ruspa POTENZA E INTENSITA’ SONORA Potenza P di una sorgente [W] È l’energia emessa da una sorgente (sonora) nell’unità di tempo Intensità di un’onda I [W/m2] Rappresenta l'energia trasportata dall’onda che nell'unità di tempo fluisce attraverso una superficie unitaria L’intensità è inversamente proporzionale al quadrato della distanza dalla sorgente 26 Fisicaa Applicata, Area Tecnica , M. Ruspa LOG10 Il log10 di un numero qualsiasi a (base) e’ l’esponente che devo dare a 10 per ottenere a Il calcolo dei logaritmi si semplifica notevolmente quando la base e’ una potenza di 10 log10 10n = n! Infatti l’esponente che devo dare a 10 per ottenere 10n e’ n! 27 Fisicaa Applicata, Area Tecnica , M. Ruspa DECIBEL L’orecchio umano è sensibile ad intensità sonore tra 10-12 W/m2 e 102 W/m2. Tuttavia, la sensazione uditiva non è proporzionale all’intensità sonora, ma approssimativamente al suo logaritmo. Livello di intensità sonora IL [dB] E` definito come il logaritmo del rapporto fra l’intensità misurata ed una intensità di riferimento (I0): Per convenzione internazionale: I0 = 10-12 W/m2 (minima intensità percepibile dall’orecchio umano) 10-12 W/m2 a 102 W/m2 → tra 0 e 140 dB 28 Fisicaa Applicata, Area Tecnica , M. Ruspa Esempi di intensità sonora 29 Fisicaa Applicata, Area Tecnica , M. Ruspa ONDE ELETTROMAGNETICHE Si può verificare sperimentalmente che un campo elettrico variabile nel tempo produce un campo magnetico un campo magnetico variabile nel tempo produce un campo elettrico Campo magnetico variabile genera campo elettrico questo campo elettrico è variabile e genererà un campo magnetico questo campo magnetico è variabile e genererà a sua volta un campo elettrico variabile … Il Risultato è la produzione di un’onda che si propaga nello spazio detta onda elettromagnetica 30 Fisicaa Applicata, Area Tecnica , M. Ruspa ONDE ELETTROMAGNETICHE Tutte le onde em nel vuoto si propagano con la stessa velocità, pari alla velocità della luce: c= 3·108 m/s La relazione tra lunghezza d’onda frequenza e velocità di propagazione per un’onda elettromagnetica diventa: c = λ/T = λ·f 31 Fisicaa Applicata, Area Tecnica , M. Ruspa SPETTRO ELETTROMAGNETICO All’ aumentare della lunghezza d’onda diminuiscono la frequenza e l’energia 32 Fisicaa Applicata, Area Tecnica , M. Ruspa SPETTRO ELETTROMAGNETICO Come vengono utilizzate le onde elettromagnetiche alle varie frequenze? Scintigrafia SPECT Radiologia TAC Radioterapia 33
