Formulario di Elettromagnetismo e ottica Pagina 1 di 8 FORMULARIO DI ELETTROMAGNETISMO E DI OTTICA NOTA: le grandezze vettoriali sono indicate in neretto. ELETTROSTATICA ε = ε0 εr = costante dielettrica assoluta ; εr = costante dielettrica relativa Nel vuoto [e con buona approssimazione nell'aria] εr = 1. Legge di Coulomb nel vuoto: F= q1 q2 1 diretta lungo la congiungente q1 - q2 r2 4πε0 attrattiva o repulsiva la forza elettrostatica di Coulomb e' conservativa Campo elettrostatico E: è il rapporto tra la forza elettrostatica cui è soggetta una carica q F di prova e la carica stessa E = (da cui si ha F = qE ) ( nel S.I. N C ) q Energia potenziale della forza di Coulomb: U (r ) = 1 q 1q 2 = U 12 per 2 cariche 4πε 0 r per un sistema formato da 3 cariche U = U12 + U13 + U 23 Differenza di potenziale fra due punti: VB − VA = (da cui L 1→2 = q(V1 − V2 ) ) Potenziale elettrico di un punto P: VP = L B→ A U (B) − U (A ) = ( nel S.I. J C = Volt ) q q L P →∞ U (P ) − U (∞ ) = q q Relazione tra il campo elettrostatico e il potenziale: Ex = − ∂V ∂x Ey = − ∂V ∂y Ez = − ∂V ∂z E = E x i + E y j + Ez k Campo elettrostatico e potenziale generati da: 1 q radiale 4πε 0 r 2 1 q i ri distribuzione discreta di carica: E = ∑ 4πε 0 i ri 2 r i • carica isolata puntiforme • Data ultima revisione: 24/11/05 E= 1 q 4πε 0 r 1 qi V= ∑ 4πε 0 i ri V= 1 Formulario di Elettromagnetismo e ottica Pagina 2 di 8 Il dipolo elettrico Vettore momento di dipolo p = q d (nel S.I. C ⋅ m ) dove d è il vettore congiungente le due cariche (orientato dalla carica negativa alla positiva). Ex = 1 3pxy 4 πε 0 ( x 2 + y 2 ) 52 r = x2 + y2 1 p(2 y2 − x2 ) Ey = 4 πε 0 ( x 2 + y 2 ) 5 2 cosθ = y r A grande distanza dal dipolo (per r >> d): V( r , θ ) = r 1 p cos ϑ 4 πε 0 r 2 In un campo esterno E est orientato di un angolo α rispetto a p: - se il campo è uniforme il dipolo è soggetto a un momento meccanico di rotazione r M = p ∧ E est di modulo M = pE sen θ , che tende ad allineare il dipolo con il campo est - se il campo non è uniforme il dipolo è soggetto anche ad una forza risultante r - energia potenziale del dipolo U = - p • E est = - p Eest cos α Campo elettrostatico e potenziale generati da distribuzioni continue di carica: E = ∫ dE distribuzi one =∫ 1 dq r 4πε 0 r 2 r V = ∫ dV distribuzi one =∫ 1 dq 4πε 0 r • sbarretta (filo) indefinita con densità lineare λ ( C m ) di carica: E= λ radiale al filo 2 πε 0 r V(r ) = − λ lnr 2πε 0 d.d.p. VA − VB = λ b ln 2πε 0 a • anello di raggio R, carica q in un punto P(z) sull'asse: E= qz 4 πε 0 ( z 2 + R 2 ) 3 V= 2 q 4 πε 0 z 2 + R 2 • lamina isolante indefinita con distribuzione superficiale σ ( C m2 ) di carica: σ perpendicolare alla lamina 2ε 0 σ V = V0 − ( ) z dove V0 = potenziale sulla sup. della lamina 2ε 0 σ • in prossimità di un conduttore: E = n dove n = versore della normale esterna alla ε0 superficie e σ = densità di carica superficiale ( C 2 ) m q • disco di raggio R con densità superficiale σ = 2 ( C 2 ) in un punto P(z) sull'asse: m πR σ z σ (1 − ) E= V= ( z2 + R 2 − z) 2 2 2ε 0 2ε 0 z +R E= Data ultima revisione: 24/11/05 2 Formulario di Elettromagnetismo e ottica • Pagina 3 di 8 sfera di raggio R con distribuzione volumetrica di carica ρ = per r ≤ R E = per r > R q (C 3 ) m 4 πR 3 3 1 q ( 3R 2 − r 2 ) ρ 2 r2 V= R − = 2ε 0 3 8πε 0 R3 ρ R3 1 q V= = 3ε 0 r 4πε 0 r ρr 1 qr = radiale 3ε 0 4πε 0 R 3 ρR 3 1 q E= = radiale 2 3ε 0 r 4 πε 0 r 2 • superficie sferica di raggio R con carica totale Q o densità superficiale σ = per r ≤ R E = 0 per r > R E= σR 2 1 Q radiale = 2 4πε 0 r 2 ε0r V= σR 1 Q = ε 0 4πε 0 R V= 1 Q σ R2 = 4πε 0 r ε0 r Capacita' elettrica • di un conduttore • di un condensatore ( nel S.I. C= Q V C= Coul om b = Farad ) Volt capacita' di una sfera isolata C = 4 πε 0 R Q ∆V condensatore piano C = ε0S d all'interno il campo e' costante E = 2 πε 0 L ln b a a⋅ b condensatore sferico C = 4 πε 0 b− a Condensatori in parallelo C = C1 + C 2 1 1 1 1 Condensatori in serie = + + .... C C1 C 2 C 3 condensatore cilindrico ∆V d C= Energia immagazzinata in un condensatore carico Forza tra le armature di un condensatore piano Densità di energia del campo elettrostatico Data ultima revisione: 24/11/05 Q (C 2 ) 2 m 4 πR u= 1 1 Q2 1 C V2 = = QV 2 2 C 2 Q2 F = 2εA W = 1 ε E2 2 0 3 Formulario di Elettromagnetismo e ottica Pagina 4 di 8 CORRENTI ELETTRICHE Intensità di corrente Legge di Ohm i= V = Ri dq dt Coul om b = Ampere ) sec V Volt = Ohm.[Ω] ) ( nel S.I. la resistenza R = si misura in i Ampere ( nel S.I. L S dipendenza della resistivita' dalla temperatura ρ = ρ0 (1 + α ( T − T0 )) R = R1 + R 2 Resistenze in serie 1 1 1 1 = + + .... Resistenze in parallelo R R1 R 2 R 3 Resistenza di un conduttore ohmico Leggi di Kirchhoff: Effetto Joule P = i⋅ ∆ V R=ρ ∑ ik = 0 legge delle maglie ∑ ikRk = ∑ Vk legge dei nodi per conduttori ohmici dove P = potenza media (Watt) e' definita come P = Data ultima revisione: 24/11/05 ∆ V2 P=i R= R 2 Energia (da cui En = P⋅ ∆ t ) ∆t 4 Formulario di Elettromagnetismo e ottica Pagina 5 di 8 MAGNETISMO (nel S.I. B si misura in Tesla • nel CGS in Gauss 1T = 104 gauss) Campi B generati da circuiti percorsi da una corrente i: - campo generato da un filo rettilineo indefinito di raggio R: per r ≥ R B= µ0 i 2π r B= per r <R µ 0ir 2 πR 2 - campo sull'asse di una spira circolare di raggio R: B = - µ 0 iR 2 ( 2 R 2 + z2 B = µ0 i n campo all'interno di un solenoide indefinito ) 3 dove n = N spire l • Forza magnetica agente su una carica in moto in un campo B (Forza di Lorentz) F = q v ∧ B modulo F = qvB sen θ Moto di una carica q in un campo B con velocità v ⊥ B : imponendo FLorentz = Fcentripeta si ottiene raggio R = mv qB frequenza di ciclotrone f = qB 2π m • Forza magnetica agente su un filo lungo l percorso da una corrente i costante F = i l ∧ B modulo F = i l B sen α µ 0 i 1i 2 l 2π d • Forza magnetica tra due fili paralleli percorsi da corrente: • Momento meccanico di rotazione agente su una bobina formata da N spire di area A percorse da una corrente i costante M = µ ∧ Best con µ = N i A F12 = Legge di induzione di Faraday-Neumann-Lenz: (il flusso di B attraverso una superficie chiusa S e' definito come Φ (B) = B⋅S cosθ e nel S.I. si misura in Weber) ε ind / media = − N Φ − Φ1 ∆Φ ( B ) =−N 2 ∆t t 2 − t1 i ind = ε ind R qind = i ind ∆ t = −N Φ 2 − Φ1 R Spira di resistenza R, lati a e b estratta con v = cost (lato a→) da un campo B: εind = Bav Induttanza: definizione L = NΦ( B) i Forza necessaria F = iaB = (nel S.I. si misura in Henry) ==> B2 a 2 v R ε ind / media = − L 2 per un solenoide nel vuoto: L = µ0 n l S 1 Energia immagazzinata in una induttanza W = 2 L i2 Densità di energia di un campo magnetico Data ultima revisione: 24/11/05 u= 1 2 B 2µ 0 5 ∆i ∆t Formulario di Elettromagnetismo e ottica Pagina 6 di 8 ONDE ELETTROMAGNETICHE E OTTICA Onda e.m. piana - sinusoidale - polarizzata linearmente che si propaga nella direzione z E = Ex = E0 sen k (z - vt) B = By = B0 sen k (z - vt) 2π • relazioni tra i parametri dell'onda sinusoidale: k= ; λƒ=v ; ω=2πƒ λ • nelle precedenti equazioni i campi elettrici e magnetici sono legati dalle relazioni E0 = v B0 (nel vuoto E = cB) 1 c con v = velocità di propagazione dell'onda in un mezzo = = εrµr εµ 1 = 3 ⋅ 10 8 m c = velocità di propagazione nel vuoto = sec ε 0µ 0 Vettore di Poynting: S = 1 E ∧ B = energia trasportata nell'unita' di tempo per unita' di area µ0 Watt Intensità media di un'onda e.m. sinusoidale = potenza per unità di superficie 2 m 1 1 1 < I > = Smedio = 2 SMAX= cε 0 (E medio ) 2 = E 0 B0 = cε 0 E 02 2µ 0 Polarizzazione Legge di Malus 2 I = I0 cos θ 2 tg θΒ = n12 Legge di Brewster Ottica geometrica n = εrµ r Relazione tra indice di rifrazione e costante dielettrica Velocità della luce e lunghezza d'onda in un mezzo: v = Leggi di Snell θ inc = θ riflessione ; Angolo limite ϕ0 = arcsen n2 n1 Legge dei punti coniugati 1 1 1 + = p q f sen ϑ1 inc sen ϑ 2 rifraz = n 12 = c n λn = v λ vuoto = f n n2 v2 = n1 v 1 [n2 < n1] r 2 1 1 1 n2 per una lente sottile = − 1 − f n1 r1 r2 Ingrandimento G = himmag hoggetto = q p - per uno specchio f = - Data ultima revisione: 24/11/05 6 Formulario di Elettromagnetismo e ottica Pagina 7 di 8 potere diottrico di una lente = 1 in diottrie f (metri ) Interferenza Date due onde che si propagano nella stessa direzione e i cui vettori elettrici vibrano nello stesso piano E1 = A1 sen [k(z - vt) + φ1] e E2= A2 sen [k(z - vt) + φ2] se φ1-φ2 è costante nel tempo (onde coerenti) ==> l'onda risultante dalla loro sovrapposizione ha intensità I = I 1 + I 2 + 2 I 1 I 2 cos (φ1 − φ 2 ) Esperimento di Young della doppia fenditura (d = distanza tra le fenditure, D = distanza fenditure-schermo) - interferenza distruttiva d sen ϑ = (n + ½ ) λ - interferenza costruttiva (bande chiare) d sen ϑ = n λ - posizione della n - ma frangia luminosa y n = n − intensita' risultante 2 I = I0 cos β con Dλ d β= πd sen ϑ λ Diffrazione da fenditura circolare: Posizione del primo minimo nella diffrazione da un foro circolare di diametro d: sen ϑ = 1.22 Data ultima revisione: 24/11/05 λ d 7 Formulario di Elettromagnetismo e ottica Pagina 8 di 8 PRINCIPALI COSTANTI DI INTERESSE PER L'ELETTROMAGNETISMO -12 Costante dielettrica del vuoto ε0 = 8.86⋅10 Costante di Coulomb k = Permeabilità magnetica del vuoto µ0 = 4 π⋅10 H/m Carica dell'elettrone/protone Massa dell'elettrone e = 1.60⋅10 C -31 me = 9.1⋅10 kg Rapporto e/m per l'elettrone e F/m 9 1 = 4 πε 0 9.0⋅10 m/F -7 -19 11 Massa del protone = 1.76⋅10 C/kg m -27 mp = 1.67⋅10 kg Velocità delle onde e.m. nel vuoto Costante di Planck c h 8 = 3.0⋅10 m/s -34 = 6.63⋅10 J⋅s Spettro elettromagnetico: ___________________________________________ λ (Å) ƒ (Hz) tipo _____________________________________ -1 19 < 10 > 10 raggi γ -1 2 19 16 10 ÷ 10 10 ÷10 raggi X 2 3 16 15 10 ÷ 10 10 ÷10 ultravioletto 3 14 14 (4 ÷ 8) 10 8 10 ÷4 10 visibile ===== >>> 4 6 14 12 10 ÷10 10 ÷10 infrarosso 6 8 12 10 10 ÷10 10 ÷10 microonde 8 10 > 10 < 10 radioonde onde e.m. rivelate dall'occhio umano: 400 - 450 nm violetto 450 - 500 nm blu 500 - 550 nm verde 550 - 600 nm giallo 600 - 650 nm arancio 650 - 700 nm rosso ___________________________________________ FATTORI DI CONVERSIONE 1 eV (elettron-Volt) 1 µ = 1 µm 1 nm 1Å Data ultima revisione: 24/11/05 = = = = 1.6 ⋅ 10 -6 10 m 10-9 m -10 10 m -19 J 8