PROPEDEUTICO PROPEDEUTICO
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UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PAVIA dip. Fisica nucleare e teorica via Bassi 6, 27100 Pavia, Italy - tel. 038298.7905 [email protected] - www.unipv.it/webgiro 1 elio giroletti PROPEDEUTICO elettrostatica e corr.el. MATEMATICA & FISICA, FISICA, elio giroletti, 2004 Classe Lauree di INFERMIERISTICA e OSTETRICIA corso propedeutico di MATEMATICA E FISICA Lucidi di D. SCANNICCHIO - rivisti da E. GIROLETTI Elio GIROLETTI - Università di Pavia, Dip. Fisica nucleare e teorica ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - PROPEDEUTICO: Elettrostatica e correnti elettriche PROPEDEUTICO elettrostatica e corr.el. MATEMATICA & FISICA, FISICA, elio giroletti, 2004 Carica elettrica e forza di Coulomb Campo elettrostatico Energia potenziale elettrostatica Potenziale elettrico Intensita’ Intensita’ di corrente Leggi di Ohm Resistenza e resistivita’ resistivita’ Effetto termico della corrente Elettrolisi 2 Carica elettrica 4a grandezza fondamentale : carica elettrica Q, q [Q] unità di misura S.I. coulomb (C) • positiva (+), negativa (–), neutra (o) • Q multipla intera carica elettrica elementare e = 1,6·10–19 C • conservazione della carica elettrica PROPEDEUTICO – Elettrostatica e correnti elettriche forza di Coulomb → F= q1 q2 → r 1 4π εoεr r2 r legge di Coulomb εo = costante dielettrica del vuoto = 8,86 10–12 C2/(Nm2) εr = costante del mezzo relativa al vuoto forza attrattiva per cariche di segno opposto forza repulsiva per cariche di segno uguale (forza di gravità) G ≈ 6,67 • 10–11 kg–2 N m2 (sensibile per masse molto grandi) 1 ≈ 9 • 109 C–2 N m2 4π εo PROPEDEUTICO – Elettrostatica e correnti elettriche (forza elettrostatica) (materia quasi sempre neutra!!!) Elio GIROLETTI - Università di Pavia, Dip. Fisica nucleare e teorica ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - PROPEDEUTICO: Elettrostatica e correnti elettriche forza di Coulomb nella materia → F= q1 q2 → r 1 4π εoεr r2 r εr = 1 nel vuoto εr > 1 nella materia esempio εr (H2O) ≈ 80 → → q1 + r → ++F– + + ++ –– ++ q1 –F +F – q2 → – + –F– – q2 – + – – + – PROPEDEUTICO – Elettrostatica e correnti elettriche vuoto materia 3 Campo elettrostatico → F= → → qQ → r 1 4π εoεr r2 r (cariche elettriche puntiformi) q unitaria positiva → Q r E= 1 2 4π εoεr r r → E= F q unità di misura S.I. newton /coulomb (N/C) =volt/m → E +q +q +Q –Q → E PROPEDEUTICO – Elettrostatica e correnti elettriche Campo elettrostatico → E P + + + + esempio PROPEDEUTICO – Elettrostatica e correnti elettriche Elio GIROLETTI - Università di Pavia, Dip. Fisica nucleare e teorica ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - PROPEDEUTICO: Elettrostatica e correnti elettriche Energia potenziale elettrostatica Il campo di forze è conservativo ? SI’ SI’ perchè il lavoro lungo una traiettoria chiusa è nullo (cariche elettriche puntiformi) Q B q A rA rB C D L = ΣABCD ∆F∆s = LABCD = LAB + LBC + LCD + LDA qQ 1 – 1 = - LCD 4π εoεr rA rB = LDA = 0 • LAB = • LBC PROPEDEUTICO – Elettrostatica e correnti elettriche }L ABCD =0 Energia potenziale elettrostatica 4 Il lavoro per portare una carica q da A a B è indipendente dal percorso e dipende solo dalla posizione iniziale e finale qQ qQ LAB = 4π ε ε 1r – 4π ε ε 1r = U(rA) – U(rB) A o r o r B qQ 1 U(r) = 4π ε ε r o r funzione energia potenziale elettrostatica (cariche elettriche puntiformi) PROPEDEUTICO – Elettrostatica e correnti elettriche Potenziale elettrico carica puntiforme U V= q U(r) Q V(r) = q = 4π ε ε r1 o r differenza di potenziale elettrico (d.d.p.) LAB ∆V = VB – VA = – LA∞ q VA = – q VB = 0 B →∞ Unità di misura: Volt = joule/coulomb = J/C Dimensioni: [M][L]2[t]-2[Q]-1 diff. potenziale V Æ V = J/C campo elettrico E Æ N/C = V/m PROPEDEUTICO – Elettrostatica e correnti elettriche Elio GIROLETTI - Università di Pavia, Dip. Fisica nucleare e teorica ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - PROPEDEUTICO: Elettrostatica e correnti elettriche Campo elettrico e Potenziale elettrico F= F = qE ∆U ( r ) ∆V ( r ) =q ∆r ∆r campo elettrico campo di forza conservativo • modulo: E = ∆V ( r ) = ∇V = gradV ∆r • direzione: moto +q • verso: V decrescenti • unità unità misura: PROPEDEUTICO – Elettrostatica e correnti elettriche newton volt ( NC −1 ) = (Vm −1 ) coulomb metro ElettronElettron-volt Volt = Joule/Coulomb 5 Joule = Coulomb•Volt Lavoro = Energia = Carica elettrica • Potenziale elettrico unità di misura pratica di energia su scala atomica: elettronVolt (eV) = 1,6 10–19C • 1 V = 1,6 10–19 J e 1 eV = 1.6 • 1019 J Æ 1 J = 1/(1.6 • 10-19) eV = 6.25 • 1018 eV PROPEDEUTICO – Elettrostatica e correnti elettriche PROPEDEUTICO elettrostatica e corr.el. MATEMATICA & FISICA, FISICA, elio giroletti, 2004 Carica elettrica Forza di Coulomb Potenziale elettrico Intensita’ Intensita’ di corrente Leggi di Ohm Resistenza e resistivita’ resistivita’ Effetto termico della corrente Elettrolisi Elio GIROLETTI - Università di Pavia, Dip. Fisica nucleare e teorica ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - PROPEDEUTICO: Elettrostatica e correnti elettriche Intensita’ Intensita’ di corrente elettrica A S S i= ∆q ∆t i= dq dt → E +q B i (carica elettrica +q ) unità di misura S.I. ampere (A) = coulomb/s 1 ampere = 1/(1.6 10–19 ) = 6.25 1018 elettroni/s PROPEDEUTICO – Elettrostatica e correnti elettriche 6 Corrente continua ∆q ∆t i= i= dq dt carica elettrica – q (carica elettrica +q ) corrente verso opposto i ≡ moto cariche elettriche moto stazionario : i = costante nel tempo corrente continua moto non stazionario: i = variabile nel tempo i = i(t) PROPEDEUTICO – Elettrostatica e correnti elettriche Leggi di Ohm l → A E +q S S B i VA – VB VA – VB = R i R R=ρ l S ρ = ρ(T) R = resistenza elettrica del conduttore unità di misura S.I. ohm (Ω) = volt/ampere ρ = resistività resistività elettrica unità di misura pratica ohm x cm PROPEDEUTICO – Elettrostatica e correnti elettriche Elio GIROLETTI - Università di Pavia, Dip. Fisica nucleare e teorica ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - PROPEDEUTICO: Elettrostatica e correnti elettriche Densità Densità di corrente elettrica, elettrica, J A → S S l E +q B i, J VA – VB J= ∆q i = S∆t S J direzione e verso delle cariche +q unità di misura S.I. Ampere / m2 PROPEDEUTICO – Elettrostatica e correnti elettriche LEGGE DI OHM GENERALIZZATA A → l B E +q S S 7 i, J VA – VB J =σE σ = conducibilità conducibilità elettrica ∝ velettroni σ= unità unità di misura = ampè ampère/volt re/volt = A/V 1 ρ PROPEDEUTICO – Elettrostatica e correnti elettriche Conduttori e isolanti ρ(20°C) (ohm•cm) –6 conduttori argento ............................ 1.62 10–5 rame ................................ 0.17 10 metallici alluminio ........................ 0.28 10–5 ferro ................................ 1.10 10–5 mercurio ......................... 9.60 10–5 KCl (C=0.1 osmoli) ................ 85.4 conduttori elettrolitici liquido interstiziale ................ 60 siero (25°C) ............................. 83.33 liquido cerebrospinale (18°C) 84.03 assoplasma di assone ............ 200 semiconduttorigermanio ............................... 1.08 silicio ..................................... 100 isolanti alcool etilico ........................ 3 105 acqua bidistillata ................ 5 105 membrana di assone ......... 109 1013 vetro .................................... PROPEDEUTICO – Elettrostatica e correnti elettriche Elio GIROLETTI - Università di Pavia, Dip. Fisica nucleare e teorica ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - PROPEDEUTICO: Elettrostatica e correnti elettriche circuiti elettrici in corr. corr. continua A i R1 resistenze in serie R2 ∆V1 ∆V2 R = R1 + R2 B i R= VA − VB ∆V1 − ∆V2 ∆V1 ∆V2 = = + = R1 + R2 i i i i resistenze in parallelo 1 = 1 1 + R R1 R2 A i 1 i +i i1 i2 1 1 = = 1 2 = + = + VA − VB R VA − VB VA − VB VA − VB R1 R2 PROPEDEUTICO – Elettrostatica e correnti elettriche i1 i i2 B R2 FORZA ELETTROMOTRICE 8 A G r + R f i • f = f.e.m. • r = resistenza del generatore B • a circuito aperto: i = 0 VA-VB=f • a circuito chiuso: VA-VB= ff-ri= Ri f = ( R + r )i → i = f R+r PROPEDEUTICO – Elettrostatica e correnti elettriche Effetto Joule effetto termico della corrente elettrica energia cinetica elettroni ceduta per urto al reticolo molecolare del conduttore generazione di calore 2 ∆T = L = ∆q ∆V = i ∆t ∆V = i2 R ∆t = ∆V ∆t 2 W = L = i ∆V = i2 R = ∆V R ∆t produzione di calore R 1 caloria = 4,18 joule Q(cal) = 1 W∆t = 1 i2 R ∆t = 1 i ∆V ∆t = 4,18 4,18 4,18 2 1 ∆V = 4,18 R ∆t PROPEDEUTICO – Elettrostatica e correnti elettriche Elio GIROLETTI - Università di Pavia, Dip. Fisica nucleare e teorica ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - PROPEDEUTICO: Elettrostatica e correnti elettriche Dissociazione elettrolitica esempio: NaCl in acqua legame ionico (forza di Coulomb) Na+ Cl– I° : indebolimento del legame qQ 1 Fc = 4π ε ε 2 o r r εr (aria) ≈ 1 εr (acqua) ≈ 80 1 F (aria) } Fc(acqua) ≈ 80 c II° : rottura del legame da urti per agitazione termica PROPEDEUTICO – Elettrostatica e correnti elettriche Æ dissociazione elettrolitica 9 Dissociazione elettrolitica – III°: mancata ricombinazione da polarità molecola H2O + + – + O– – H2+ – Cl + Na – conduttori elettrolitici: acidi, basi, sali in H2O forte sostanze organiche debole dissociazione forte legame covalente } esempio NaCl in H2O 100 molecole NaCl dissociazione 84 % 84 Na+ 84 Cl– 16 NaCl (non dissociate) 184 particelle PROPEDEUTICO – Elettrostatica e correnti elettriche Elettrolisi moto di ioni (q = Ze ) in soluzione – + G ioni + elettrodo negativo A (catodo K) ioni – elettrodo positivo (anodo A) esempio I+ A I– S K → E nitrato d'argento in acqua AgNO3 B – Ag+ + NO3 deposito al catodo di una massa m leggi di Faraday m=k A q Z k= 1 No e PROPEDEUTICO – Elettrostatica e correnti elettriche Elio GIROLETTI - Università di Pavia, Dip. Fisica nucleare e teorica ESCLUSIVO USO DIDATTICO INTERNO - PROPEDEUTICO: Elettrostatica e correnti elettriche PROPEDEUTICO elettrostatica e corr.el. MATEMATICA & FISICA, FISICA, elio giroletti, 2004 dispense su internet www.unipv.it/webgiro elio giroletti . Università Università degli Studi di Pavia dip. Fisica nucleare e teorica [email protected] - 038298.7905
