Energia potenziale elettrostatica la forza di Coulomb e’ una forza centrale dunque e’ conservativa e puo’ essere derivata da una funzione l’energia potenziale elettrostatica scalare: Energia potenziale elettrostatica e’ il lavoro che occorre fare dall’ esterno per portare una carica q2 sorgente q1 dall’infinito a distanza r da una carica fissa nello spazio 1 q1q2 U (r) = + cost 4πε 0 r nel S.I. l’energia potenziale elettrica si misura in Joule esempio : tre cariche puntiformi si parte da cariche poste all’infinito, di modo che le cariche non interagiscano tra loro, configurazione cui si assegna convenzionalmente energia potenziale elettrica nulla il lavoro fatto per posizionare la prima carica puntiforme q1 dall’ infinito ad un generico punto dello spazio, sara’ nullo L1 = 0 una volta fissata, e mantenuta fissa, la posizione della prima carica si sposta la seconda carica q2 e questa volta occorrera’ compiere lavoro dall’esterno per muovere q2 in presenza del campo elettrico E1 generato dalla prima carica q1 2 Nota : gli spostamenti delle cariche andranno fatti in maniera adiabatica la forza risentita dalla carica q2 in presenza del campo elettrico E1 generato dalla prima carica sara’ q2 E1 la forza esterna dovra’ ad ogni istante contrastare questa forza, dovuta al campo elettrico generato dalla prima carica, affinche’ vi sia equilibrio durante lo spostamento, la forza esterna dovra’ essere ad ogni istante pari a − q2 E1 la forza esterna compira’ il lavoro L2 L2 ∫ r12 ∞ r q1q2 FEst ⋅ dl =∫ − q2 E1 ⋅ dl = − ∞ 12 4πε 0 ∫ r12 ∞ dr q1q2 1 = + 2 r 4πε 0 r12 3 per spostare una terza carica puntiforme q3 in presenza dei campi elettrici E1 ed E2 occorrera’ compiere il lavoro L3 L3 = ∫ r13 ∞ r q1q3 1 q2 q3 1 + + −q3 E1 ⋅ dl + ∫ −q3 E2 ⋅ dl = ∞ 4πε 0 r13 4πε 0 r23 23 q1q2 1 q1q3 1 q2 q3 1 LT = L1 + L2 + L3 = + + 4πε 0 r12 4πε 0 r13 4πε 0 r23 in modo compatto U= 1 2 3 ∑ i =1, j =1 (j ≠ i ) 1 qi q j 4πε 0 rij da notare la presenza del fattore ½ che evita il doppio conteggio dei termini 4 Energia del campo elettrostatico generalizzando ad N cariche elettriche un sistema di N cariche elettriche puntiformi collocate in una determinata configurazione spaziale fissa possiede energia potenziale elettrostatica riesce: U= 1 2 =i N ∑ 1,=j 1 (j ≠ i ) 1 qi q j 4πε 0 rij due cariche puntiformi dello stesso segno poste a distanza finita hanno energia potenziale positiva 5 Potenziale elettrico si definisce potenziale elettrico ( V ) l’energia potenziale elettrica per unita’ di carica di prova U V= q0 nel S.I. il potenziale elettrico si misura in Volt : 1 V = 1 Joule/Coulomb 6 Potenziale elettrico di una carica puntiforme U (r ) 1 qq0 + cost 4πε 0 r e da V = U q0 1 q = V (r ) + cost 4πε 0 r l’energia potenziale e il potenziale elettrico sono definiti a meno di una costante additiva se le cariche sorgenti sono distribuite in una regione finita di spazio e’ legittimo assumere che cost = 0, il che equivale ad assumere che forza e potenziale siano nulli all’infinito 7 se la distribuzione di cariche fosse estesa fino all’infinito, cio’ non sarebbe piu’ vero ma in ogni caso il valore della costante e’ ininfluente perche’ solo le differenze di energia potenziale, e dunque solo le differenze di potenziale ( d.d.p. ) hanno senso fisico 8 dalla meccanica in un caso unidimensionale: se le forze sono conservative si avra’ dL = U ( x) − U ( x + dx) = −dU dU Fx = − dx una forza conservativa è originata da una variazione nello spazio dell’ energia potenziale 9 in tre dimensioni U = U(x,y,z) e al posto delle derivate totali occorrera’ sostituire le derivate parziali ∂U Fx = − ∂x ne discende ∂U Fy = − ∂y F = − grad U e per il campo elettrico : e dato che ∂U Fz = − ∂z e ovvero E = − grad V F = −∇U ovvero E = −∇V anche per il potenziale vale il principio di sovrapposizione 10 Calcolo del campo generato da una carica elettrica Q distribuita uniformemente su di un filo di lunghezza 2a e spessore trascurabile nel generico punto P(x,y) a partire dal potenziale elettrico dq dV = 4πε 0 r 1 dV = λ dl 1 4πε 0 ( x − l )2 + y 2 integrando +a V = ∫ dV −a V= λ 4πε 0 ln x + a + ( x + a)2 + y 2 x − a + ( x − a) + y 2 2 per ottenere il campo bastera’ derivare rispetto a x ed y ∂V Ex = − ∂x ∂V Ey = − ∂y 11 casi particolari: potenziale per punti sull’asse delle ordinate x = 0 integrando su tutto il filo V= dV = 1 λ dl 4πε 0 l +y a+ a + y 2 λ 4πε 0 ln 2 2 2 −a + a + y 2 2 per ottenere il campo bastera’ derivare rispetto ad y ∂V Ey = − ∂y Ey = Q 1 4πε 0 y a 2 + y 2 1 2 12 da notare che quando a tende all’infinito il campo tende al valore E y = λ 1 2πε 0 y mentre il potenziale diverge cosa comprensibile dato che vi sarebbero cariche anche all’infinito quindi anche la forza ed il potenziale all’ infinito sarebbero diversi da zero ma le differenze di potenziale rimangono determinabili correttamente anche se la formula diverge se V= λ 4πε 0 ln a + a2 + y2 −a + a 2 + y 2 λ y2 V(y1) –V(y2) = ∆V = ln 4πε 0 y1 13 Backup Slides 14