Modulo 8 Elettromagnetismo

Elettromagnetismo
Modulo 8
Elettromagnetismo
8.1.
Elettrostatica: carica, forza e campo.
8.2.
Tensione e corrente elettica
8.3.
Conduttori e isolanti
8.4.
Circuiti elettrici
8.5.
Magnetismo
8.6.
Onde elettromagnetiche
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2 Modulo 8
8.1. Elettrostatica: carica, forza e campo
Definizione
La carica elettrica è quella proprietà della materia che permette i fenomeni di
attrazione e repulsione in presenza di oggetti che sono stati strofinati.
Osservazioni
•
•
•
•
•
La carica è una grandezza derivata e il suo simbolo è q.
La carica è una grandezza scalare e la sua unità di misura della carica elettrica
è il coulomb, che ha come simbolo C.
La carica si conserva.
Esistono due diversi tipi di cariche che chiamiamo positive e negative.
In condizioni di equilibrio i corpi hanno lo stesso numero di cariche positive e
negative.
Legge di Coulomb
F =k
q1 q 2
R2
dove F è la forza che si esercita tra due cariche q1 e q2 poste a una distanza R; k è
una costante che è legata alla velocità della luce.
Osservazione
•
Due cariche si segno opposto si attraggono, due cariche dello stesso segno si
respingono.
Definizione (formale)
E :=k
q
2
R
dove E è il campo elettrico, q la cariche che lo crea, R la distanza dalla carica.
Osservazioni
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Elettromagnetismo
•
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Il campo elettrico è una grandezza derivata, il suo simbolo è E e la sua unità di
misura è N/C.
•
Il campo elettrico è una grandezza vettoriale.
•
Il campo elettrico di una carica positiva si rappresenta con frecce uscenti, quello
di una carica negativa con frecce entranti.
Campo elettrico generato da un carica
positiva
Campo elettrico generato da un carica
negativa
Esempio
Rappresenta in modo qualitativo il campo generato da una coppia di cariche positive
dello stesso valore.
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4 Modulo 8
Esempio
Rappresenta in modo qualitativo il campo generato da una coppia di cariche negative
Esempio
Rappresenta in modo qualitativo il campo generato da una coppia di cariche una
positiva e una negativa
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Elettromagnetismo
8.2. Tensione e corrente
Definizione (operativa)
La tensione si misura con il voltmetro e la sua unità di misura è il volt, che ha come
simbolo V.
Osservazione
•
La tensione è una grandezza derivata e il suo simbolo è ΔV.
•
La tensione è una grandezza scalare.
Definizione (formale)
ΔV :=
L
q
dove L è il lavoro necessario per spostare una carica q.
Osservazione
•
Valgono le seguenti relazioni:
L=q∗ΔV
q=
L
ΔV
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6 Modulo 8
Esempio
Diagramma della misura della tensione di una batteria (3,7)
Esercizi
8.x. Realizza il diagramma della misura della tensione di una batteria (1200)
Esercizi
Calcola la differenza di potenziale generata da un lavoro di 0,2 J su una carica di 8
mC.
Calcola il lavoro necessario per spostare una carica di 5 mC in una differenza di
potenziale di 5 V.
Calcola il valore della carica spostata da un lavoro di 0,4 J in una differenza di
potenziale di 20 V.
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Elettromagnetismo
Definizione (operativa)
L'intensità di corrente si misura con l'amperometrometro e la sua unità di misura è
l'ampére, che ha come simbolo A.
Osservazione
•
L'intensità di corrente è una grandezza fondamentale e il suo simbolo è i.
•
L'intensità di corrente è una grandezza scalare.
Definizione (formale)
i :=
q
Δt
dove q è la carica che passa in un tempo Dt.
Osservazione
•
Valgono le seguenti relazioni:
q=i∗Δt
Δt=
q
i
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8 Modulo 8
Esempio
Diagramma della misura dell'intensità di corrente di una lampadina (113)
Esercizi
8.x. Realizza il diagramma della misura dell'intensità di corrente di un led (20)
Esercizi
Calcola l'intensità di corrente generata da una carica di 15 mC in 5 s.
Calcola la carica che passa in 6 s con una intensità di corrente di 150 mA.
Calcola il tempo necessario perché con una corrente di 20 mA passi una carica di 4
mC.
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Osservazioni
•
Mettendo insieme la definizione di potenza e due formule inverse di tensione e
intensità di corrente, troviamo
P=
•
L q ΔV
=
=ΔV i
Δt
q
Δt
Valgono le seguenti relazioni:
V=
P
i
i=
P
V
Esercizi
Calcola la potenza assorbita da un iPad che collegato ad una tensione di 5.1 V fa
passare una corrente di 2.1 A.
Calcola la corrente che passa in un forno da 1.6 kW collegato alla tensione di 220 V.
Calcola la tensione necessaria per far passare una corrente di 450 mA in un
utilizzatore di 10 W.
8.3. Conduttori e isolanti
Legge di Ohm
R=
ΔV
i
dove R è la resistenza.
Osservazioni
•
•
•
•
La resistenza è una grandezza derivata, il suo simbolo è R e la sua
unità di misura è l'ohm, che ha come simbolo W
La resistenza è una grandezza scalare.
La resistenza è una caratteristica che indica quanto facilmente un corpo può
essere attraversato da una corrente.
Valgono le seguenti relazioni:
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10 Modulo 8
ΔV =R∗i
i=
ΔV
R
Definizione
Un conduttore è un oggetto con una piccola resistenza.
Definizione
Per certi valori di tensione un conduttore è ohmico quando la legge di Ohm vale per
tutti quei valori di tensione.
Definizione
Un isolante è un oggetto con una grande resistenza.
Osservazioni
•
Esercizi
Calcola la resistenza di un oggetto collegato ad una tensione di 10 V in cui scorre una
corrente di 15 mA.
Calcola la differenza di potenziale di un oggetto di 2.4 kohm in cui scorre una corrente
di 20 mA.
Calcola la corrente che passa in un oggetto di 3.2 kohm collegato ad una tensione di
100 V.
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Elettromagnetismo
8.4. Circuiti elettrici
Definizione
Un circuito elettrico è un insieme di elementi collegati tra di loto che consentono il
passaggio di una corrente elettrica.
Definizione
Gli elementi base di un circuito sono rappresentati dai seguenti
Elemento
Simbolo
Filo
Lampadina
Batteria
Amperometro
Voltmetro
Resistore
Interruttore
Definizione
Due elementi si dicono collegati in serie se sono attraversati dalla stessa intensità di
corrente.
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12 Modulo 8
Definizione
Due elementi si dicono collegati in parallelo se sono sottoposti alla stessa differenza di
potenziale.
Esercizi
Disegna un circuito con una batteria, un interruttore, una lampadina, una resistenza.
Disegna un circuito con una batteria, un interruttore, due lampadine in serie.
Disegna un circuito con una batteria, un interruttore, due resistenze in serie.
Disegna un circuito con una batteria, un interruttore, due lampadine in paralello.
Disegna un circuito con una batteria, un interruttore, due resistenze in parallelo.
Regola 1
Quando due o più resistenze sono collegate in serie si comportano come una sola
resistenza equivalente data dalla somma delle singole resistenze.
Regola 2 (semplificata)
Quando due o più resistenze uguali sono collegate in parallelo si comportano come
una sola resistenza equivalente data dal valore di una singola resistenza diviso il
numero delle resistenze.
Esercizi
Disegna un ramo di circuito in cui ci siano due resistenze di 100 ohm e 200 ohm che si
comportino come una resistenza equivalente di 300 ohm.
Disegna un ramo di circuito in cui ci siano due resistenze di 100 ohm che si
comportino come una resistenza equivalente di 50 ohm.
Disegna un ramo di circuito in cui ci siano quattro resistenze di 100 ohm che si
comportino come una resistenza equivalente di 250 ohm.
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8.5. Magnetismo
Definizione
Il magnetismo è quella proprietà di alcuni materiali che permette i fenomeni di
attrazione di oggetti tipo il ferro.
Definizione (formale)
B :=
F
il
dove B è il campo magnetico, F la forza, i l'intensità di corrente, l la lunghezza del filo.
Osservazione
•
•
•
•
•
•
Il campo magnetico è una grandezza derivata e ha come simbolo B.
L'unità di misura del campo magnetico è il tesla e ha come simbolo T.
Esistono due diverse cariche magnetiche (dette poli) che chiamiamo nord e
sud.
Poli dello stesso tipo si respingono, poli di tipo opposto si attraggono.
l campo generato da un magnete si rappresenta con frecce uscenti dal polo
nord e con frecce entranti nel polo sud.
Le linee del campo magnetico sono sempre chiuse (non esistono i monopoli
magnetici).
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•
Valgono le seguenti relazioni:
F =Bil
i=
F
Bl
l=
F
Bi
Esercizi
Calcola il campo magnetico che esercita una forza di 0,02 N su un filo di 40 cm
percorso da una corrente di 750 mA.
Calcola la forza che un campo magnetico di 0,5 T esercita su un filo di 4 cm percorso
da una corrente di 65 mA.
Calcola la corrente che scorre in filo di 30 cm che immerso in un campo magnetico di
0,6 T è sottoposto ad una forza di 0,5 N.
Calcola la lunghezza di un filo immerso in un campo magnetico di 0,8 T, sapendo che
quando scorre una corrente di 20 mA è sottoposto ad una forza di 0,005 N.
Disegna il campo magnetico generato da due dipoli che vedi in figura
Disegna il campo magnetico dei due dipoli che vedi in figura
Disegna il campo magnetico dei due dipoli che vedi in figura
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8.6. Onde elettromagnetiche
Definizione
Un'onda è la propagazione di una perturbazione in cui si ha solo trasporto di energia.
Osservazione
Per descrivere un'onda si usano grandezze tipiche dei fenomeni periodici (che si
ripetono uguali nel tempo) come, ad esempio, un pendolo o una molla che oscillano.
Definizione
Il periodo è il tempo necessario perché un punto dell'onda compia una oscillazione
completa e si indica con il simbolo T.
Definizione
La frequenza è il numero di oscillazioni complete che un punto dell'onda compie
nell'unità di tempo e si indica con il simbolo f.
Definizione
La lunghezza d'onda è la distanza percorsa dall'onda in un tempo pari al periodo e si
indica con il simbolo λ
Osservazione
Valgono le seguenti relazioni
v = f
f=
1
T
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Definizione
Un'onda elettromagnetica è una perturbazione in cui variazioni periodiche del campo
elettrico si alternano a variazioni periodiche del campo magnetico.
Osservazione
Nel vuoto la velocità con cui si propaga un'onda elettromagnetica è uguale a quella
della luce (300000 km/s).
Spettro delle onde elettromagnetiche
Nome
onde radio (AM)
Lunghezza d'onda
>10 m
onde radio (TV,FM)
10 m - 10 cm
microonde
10 cm - 10 mm
infrarosso
10 mm - 0,7 µm
luce visibile
0,75 µm - 0,38 µm
ultravioletto
0,4 µm - 10 nm
raggi X
10 nm - 0,01 nm
raggi gamma
< 0,01 nm
Applicazioni
radio
radio (circa 3 m per le
radio commerciali)
televisione
Bluetooth (circa 12 cm)
WiFi (circa 13 cm )
telefoni cellulari
radar
forni
comunicazioni satellitari
ricerca di persone dopo i
terremoti
ricerca delle dispersioni
di calore degli edifici
esposimetri
fotocellule
sterilizzazione degli
ambienti
sintesi vitamina D
polimerizzazione gel per
la ricostruzione unghie
polimerizzazione resine
odontoiatria
radiografie
TAC
controllo bagagli
sterilizzazione di prodotti
confezionati
ispezioni/controllo
qualità
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