Elettromagnetismo, atomi, nuclei e particelle

I
I I I I - I I I I I I I V
SOMMARIO
Moto e relatività
1.1
Relatività galileiana
1
L.2
I postulati di Einstein
3
1.3
Linee d'universo ed efîetto Doppler
relativistico
scHEDAr.r Una nuova legge per la
composizione della velocità
scHEDAr.z Paradossodei gemelli e
dilatazione del tempo
10
1.4
Contrazione delle lunghezze
t2
1.5
Le trasformazioni di Lorentz
T4
1.6
Alcune conseguenzedelle
trasformazioni di Lorentz
I7
Cenni di dinamica relativistica
20
scHEDAr.a Albert Einstein: una nuova
celebrità della storia umana
24
ATTTYITA
Domande e test
Esercizi proposti
25
27
L'interazione elettrica
28
Dai primi esperimenti alla legge
di Coulomb
28
Forza elettrica e cariche elettriche
28
scHEDAz.r Esperienze elementari di
elettrostatica
30
t.7
2.L
2.1.1
2.1.2
2.1.3
2.7.5
2.t.6
2.1.7
32
Distribuzione delle cariche elettriche
nei conduttori e densità elettrica
superfrciale
Legge di Coulomb
4L
t ,
Campo elettrico e potenziale
44
2.2.1
Campo elettrico
44
2.2.2
Linee di forza
,
scHEDAe.a L'evoluzione del concetto
di campo
47
49
2.2.3
Potenziale in un campo elettrico
uniforme
2.2.4
Potenziale in un campo elettrico
centrale
53
La Terra come potenziale zero
e misura elettrostatica del potenziale
DI
Moto di un particella carica in un
campo elettrico
58
L'unità naturale di carica elettrica:
I'elettrone
60
scHEDAz.l Esperimento di Millikan
61
2.2.8
Conservazionedella carica
64
2.2.9
Flusso e legge di Gauss
66
2.2.70
Alcune applicazioni della legge
di Gauss
67
Campo in un dielettrico
7T
2.2.5
2.2.11
ATTIYITÀ
Elettroscopio a foglioline e ad ago
Induzione completa e confronto delle
cariche elettriche
2.1.8
2.2:7
31
Fattori che influenzano le prestazioni
di un elettroscopio
39
2.2.6
Conduttori e isolanti. Elettroni di
conduzione
2.1..4 Elettrizzazione per induzione
ScHEDAz.z Dagli inizi incerti
dell'elettricità all'invenzione del
parafulmine
Domande e test
Esercizi svolti
Esercizi proposti
Laboratorio sperimentale
36
3.1
Generatori elettrici
82
3.1.1
Corrente elettrica e f.e.m.
82
3.1.2
Intensità di corrente e sua unità
di misura
83
3.1.3
37
t a
79
81
Generatorielettrici e condensatori 82
33
36
73
Effetti prodotti da una corrente
elettrica
I
Manuale dtí,Fisica - S
V I T I I I I T I I I I I I
3.1.4
Macchine elettrostatiche
86
4.1.9
Reostati
r32
3.1.5
Pile elettriche
86
4.1.10
3.1.6
Pile termoelettriche
87
Strumenti per la misura
delle resistenze
133
ScHEDA
a.r La pila di Volta
88
4.1.11
Potenziometro
135
4.2
Energia elettrica ed effetto Joule
136
4.2.7
Lavoro di una corrente e potenza
disponibile
136
Potenza e rendimento di un
generatore
137
3.2
Capacità e condensatori
3.2.7
Capacità elettrica d'un conduttore
isolato
90
Capacità a massa d'un conduttore
91
3.2.2
3.2.3
3.2.4
90
4.2.2
6
Condensazionedelle cariche
elettriche
gz
4.2.3
Raggruppamenti di pile
t37
Condensatori
gB
4.2.4
Effetto Joule e sue applicazioni
r38
ScHEDA
e.z Elettroscopio condensatore
94
ATTTVITA
96
3.2.6
Collegamento dei condensatori
97
Domande e test
Esercizi svolti
Esercizi proposti
Laboratorio sperimentale
140
1.42
145
150
3.2.7
Lavoro di carica di un condensatore
ed energia del campo elettrico
Elettroni e ioni
156
100
\02
104
105
r07
5.1
Emissione elettronica dai metalli
lb6
5.1.1
Effetto termoionico e diodo
1b6
115
4.1
Leggi di Ohm
1lb
4.1.7
Corrente elettrica e prima legge di Ohm 1lb
4.7.2
Voltmetro amperometrico
Il7
4.1.3
Secondalegge di Ohm o legge della
resistenza
118
4.1.4
6
6.
6.
ScHEDA
r.r Teoria dell'effetto termoionico 160
5.1.2
Leggi fondamentali della
corrente elettrica
!l
6
6.
ATTTVITA
Domande e test
Esercizi svolti
Esercizi proposti
Laboratorio sperimentale
6
6
Leggi della capacità di un
condensatore
3.2.5
I
ScHEDA
+.r Conducibilità elettrica e
legge di Ohm dal punto di vista
atomico
119
Influenza della temperatura sulla
resistenza elettrica dei conduttori
120
Triodo
160
ScHEDA
r.z Oscillografo a raggi catodici
162
5.1.3
Effetto fotoelettrico
168
5.I.4
Leggi dell'effetto fotoelettrico e
insufficienza della teoria
ondulatoria della luce
166
5.2
L'elettrolisi
167
5.2.7
Elettrolisi
167
5.2.2
Leggi quantitative dell'elettrolisi
168
ScHEDA
s.s Faraday pone le basi
dell'elettrochimica
170
5.2.3
Elettrone e dissociazioneelettrolitica
t71
e le sue leggi
6.
6.
6.
6.
ScHEDA
+.2 Kamerlingh Onnes
e la superconduttività
122
5.2.4
Esempi di elettrolisi
t72
Generalizzazionedella legge di Ohm
r23
5.2.5
Processiindustrialielettrolitici
172
6.
ScHEDA
a.s Circuito -EC
124
5.2.6
PolaÀzzazionedegli elettrodi
773
6.
4.1.6
Principi di Kirchhoff
r27
5.2.7
Polanzzazionedelle pile
t74
4.t.7
Collegamento dei conduttori
r29
5.2.8
Accumulatore
175
4.1.8
Shunt o moltiplicatore
arnperomefrico
t32
4.1.5
ATTIVITA
Domande e test
t76
6.
Sommario
I I I T I I I
I I I I I
Esercizi svolti
Esercizi proposti
Laboratorio sperimentale
Interazione
magnetica
178
181
182
V N I
6.2.5
Relatività e magnetismo
277
6.2.6
Principio di equivalenza di Ampère
2r9
6.2.7
Ipotesi di Ampère sulla natura del
magnetismo
6.2.8
185
6.1
Magneti e campo magnetico
185
Diverso comportamento magnetico
delle sostanze
6.1.1
Magneti
185
Complementi
6.1.2
Costituzione di un magnete e
induzione magnetica
186
6.1.3
Campo magnetico e linee di forza
188
6.r.4
Misura pratica del campo
189
ScHEDA
o.r Campo magnetico
della Terra
792
Campi magnetici prodotti da correnti
194
scHEDAo.z L'esperimento di Oersted
e il giovane Mach
195
6.1.6
Campo magnetieo di un solenoide
t97
6.1.7
Campo magnetieo di una corrente
rettilinea e legge di Biot-Savart
199
SoHEDA
o.s Il teorema della
circuitazione di Ampère
199
b.1.1)
ScHEDA
e.+ Campo magnetico di una
corrente circolare e bobine di Helmholtz
6.1.8
6.1.9
6.1.10
.
6.1.11
6.2
6.2.1
c.2
c.3
Campo di induzione nella materia
magnetízzata
223
Ciclo d'isteresi magnetica .
224
L'elettrocalamita e alcune
sue applicazioni
ATTTVITÀ
Domande e test
Esercizi svolti
Esercizi proposti
Laboratorio sperimentale
229
231
233
234
Campi elettrici e magnetici
variabili nel tempo
238
7.1
Induzione elettromagnetica
238
7.r.7
Esperienze fondamentali di Faraday
238
7.L.2 Le leggi dell'induzione
Azione di un campo magnetico su una
corrente
203
Vettore induzione magnetica e flusso
d'induzione
205
Momento della coppia magnetica
agente su una spira percorsa da
corrente
206
Galvanometro e amperometro a
bobina mobile
208
Forze elettrodinamiche e natura
del magnetismo
209
Forze elettrodinamiche tra correnti
209
ScHEDA
o.o A.M. Ampère: il Newton
dell'elettricità
2t2
6.2.2'
Forza di Lorentz su una carica in moto
212
6.2.3
Moto di una particella carica in un
campo magnetico uniforme
274
6.2.4
c.1
220
ScHEDA
o.o Moto di una particella
carica in un campo magnetico non
uniforme
2t5
Effetto Haìl
277
elettromagnetica
239
ScHEDA
z.r Le ricerche di Faraday
sull'induzione elettromagnetica e
il primo tentativo di una spiegazione
unitaria dei fenomeni
247
7.1.3
Induzione e moto
243
7.t.4
Induttanza di un circuito
244
7.1..5 Extracorrenti di apertura e chiusura
245
ScHEDA
z.z Analisi matematica di un
circuito,EZ e delle extracorrenti
di chiusura e apertura
246
7.t.6
Correnti di Foucault
249
7.1.7
Rocchetto di Ruhmkorff
249
7.1.8
Energia intrinseca della corrente ed
energia magnetica immagazzinata
nel campo
257
Generatori industriali di corrente
e motori
252
7.2.1
Generalità
252
7.2.2
Effetti prodotti da una corrente
alternata
255
7.2
I
Matruale dti Fisica - 3
V I I II I I I I I I I I I I I
7.2.3
Intensità e tensione efficace
256
7.2.4
Circuiti in corrente alternata
258
scHEDAz.a Calcolo dell'impedenzae
della reattanza in un eireutto RLC
262
7.2.5
Pol"enzadi una corrente alternata
263
7.2.6
Alternatoremonofase
265
7.2.7
Corrente trifase e alternatore trifase
266
7.2.8
Collegamento di trasmissione di un
sistema trifase
267
Dinamo
269
7.2.9
7.2.r0 Motori elettrici
270
7.2.r1 Trasformatore statico
272
7.2.L2 T?asporto della corrente alternata
273
7.3
Correnti alternate ad alta frequenza
e onde elettromagnetiche
274
7.3.1
Scaricaoscillantedi un condensatore
274
7.3.2
Circuitooscillanteaperto
276
'i
7.3.3
Eccitazione di un circuito oscillante.
Oscillazioni persistenti
276
7.3.4
Circuiti oscillantiaccoppiati. Risonanza 277
7.3.5
Equazioni di Maxwell del campo
elettromagnetico
278
7.3.6
Ondeelettromagnetiche
28r
7.3.7
Conferma sperimentale della teoria
di Maxwell
28L
ScHEDAz.+ Radiocomunicaziori
284
tr
8.1
8.1.6
286
ATÎTYITA
Domande e test
Esercizi svolti
Esercizi proposti
Laboratorio sperimentale
288
291.
296
299
305
Il problema della natura
dell'elettricità
305
8.1.1
Conducibilità dei gas e ionizzazione
305
8.L-2
Conduzioue nei gas rarefatti
307
8.1.3
La proprietà dei raggi catodici
308
8.1.4
L'eqerirnento di îhomson e la
sqerte ddl'dettrrone
3\2
314
Dall'atomo di Thomson a ouello
di Rutherford
315
Isotopi e costituzione nel nucleo
319
ScHEDA
s.z Lo spettrografo di Dempster 32r
8.7.7
RÒntgene i raggi X
322
I
8.2
I quanti
326
9
8.2.I
Max Planck e i quanti di luce
326
9.
8.2.2
Teoriaquantisticadell'effetto
fotoelettrico ,
328
8.2.3
Effetto Compton
329
8.2.4
L'atomo di Bohr
330
8.2.5
L'atomo di Sommerfeld e i numeri
quantici
333
8.2.6
Emissione spontanea e stimolata
336
8.2.7
Spettro dei raggi X
337
8.2.8
Energie dtionizzazione e affinità
elettronica
339
8.2.9
Dualismo della luce
340
8.2.10
Dualismo della materia e meccanica
quantistiea
342
Diffrazione degli elettroni
346
ScHEDA
a.s Il microscopio elettronieo
348
Relazioni d'indeterminazione di
Heisenberg
349
ScHEDAe.+ P. Dirac e I'antimateria
352
8.3
Elettroni nei solidi
354
8.3.1
Il sistema periodico degli elementi
354
8.3.2
Legami chimici
.100
8.3.3
Cristalli solidi
357
8.3.4
Bande di energia in un cristallo
358
8.3.5
Conduttori, isolanti e semiconduttori
359
ScHEDA
s.r Lavoro di estrazione
di un elettrone ed effetto Volta
361
8.3.6
Semiconduttori estrinseci
363
8.3.7
Giwrzione p-n
364
8.3.8
Fotodiodo
366
8.3.9
Transistor
366
8.2.7I
ScHEDAz.s Guglielmo Marconi e la
nascita della radiotelegrafia
Atomi e quanti
8.1.5
ScHEDAgJ La eariea specifica degli
elettroni è indipendente dalla
sorgente e dal mezzo
fisico usato per estrarli
8.2.72
9.
9.
9.
9.
9"
Sommarw
I I I I I I I I I I I I I X
I
Transistor a effetto di campo
368
scHEDAs.o Circuiti integrati
369
emrnrA
Domande e test
Esercizi svolti
Esercizi proposti
Laboratorio sPerimentale
370
373
375
376
Nuclei e particelle
385
9.1
Nucleo eforze nucleari
385
9.2
Radioattività
387
8.3.10
scHEDAo.r La seoperta della
radioattività dimostra la possibilità
del sogno degli alchimisti medioevali
9.3
9.4
Le particelle elementari
406
scHEDAs.o Lo spin: particelle simili
a trottole
409
Verso I'unificazione delle forze
410
scHEDAg.z Forze e particelle
412
scHEDAo.s Scoperta dei bosoni W e Z
4Lg
scHEDAg.g Verso la "teoria finale"
4L4
Complementi
4L5
c.1
Acceleratore elettrostatico
di Van de Graaff
475
Acceleratore lineare (LINAC)
415
Ciclotrone e sincrociclotrone
415
Sincrotrone
4t7
Macchine a collisione e anelli di
accumulazione
4L8
lrrrnrÀ
Domande e test
Esercizi svolti
Esercizi proposti
419
420
422
Appendicematematicaalla
teoria della relatività ristretta
428
9.9
9.10
Attività e legge del decadimento
radioattivo
391
c,2
c.3
c.4
s.z Famiglie radioattive
scHEDA.
394
c.5
Metodi di rilevazione delle sostanze
radioattive
389
395
9.5
Reazioni nucleari e radioattività
artificiale
397
9.6
Fissione nucleare
399
scHEDAg.e Reattore nucleare
401
scHEDAg.a Reazionenucleare esplosiva'
402
Bomba atomica
9.7
9.8
Fusione nucleare
403
scHEDAg.r Enrico Fermi: il navigatore
sbarcato nel nuovo mondo
404
Raggi cosmici
406
4.1
Campo magnetico di una corrente
rettilinea come effetto della
contrazione di Lorentz
4.2
Interazione tra eariche in moto dal
punto di vista relativistico
426