L`ATOMO
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Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa L’ATOMO Nel suo stato normale, un atomo contiene lo stesso numero di protoni e di elettroni, ed è quindi elettricamente neutro Per esempio un atomo di ossigeno è costituito da un nucleo con 8 protoni e 8 neutroni intorno a cui orbitano 8 elettroni. La carica sua totale è quindi Q = 8x(1.6 10-19 C) + 8x(-1.6 10-19 C) + 8x0 C = 12.8 10-19 C - 12.8 10-19 C = 0 C Lezione IV 88 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa CARICA ELETTRICA Tutto ciò che ha a che fare con l’elettricità trae origine da una proprietà della materia chiamata carica elettrica (simbolo q) In natura esistono due tipi di carica elettrica: positiva e negativa Sperimentalmente si osserva che cariche uguali si respingono, cariche opposte si attraggono >> Unita’ di misura nel S.I.: Coulomb [C] La carica elettrica non si crea ne’ si distrugge ma si trasferisce da un corpo all’altro Corpi carichi: negativamente ⇒ eccesso di elettroni positivamente ⇒ carenza di elettroni Corpi neutri: Lezione IV equilibrio tra cariche positive e cariche negative 89 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa CARICA ELETTRICA DI UN CORPO Poiché la carica elettrica Q di un corpo rappresenta un eccesso o un difetto di elettroni, Q sarà sempre uguale ad un multiplo intero (positivo o negativo) della carica dell’elettrone (qe) |qe| = 1.6 · 10-19 C Esercizio Una bacchetta di vetro strofinata con un panno acquista una carica elettrica Q=3.2·10-10 C. Quanti elettroni si trasferiscono dal vetro al panno? N= Q/|qe| =(3.2 · 10-10 C)/(1.6 · 10-19 C) = 3.2/1.6 · 10-10+19 = 2 · 109 Lezione IV 90 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa ELETTRIZZAZIONE DEI CORPI Tale separazione di carica avviene per esempio quando sostanze dissimili vengono strofinate una contro l’altra: se si strofina una bacchetta di vetro con un tessuto di seta, alcuni elettroni si trasferiscono dal vetro alla seta lasciando il vetro carico positivamente e la seta negativamente Altri esempi osservabili nella vita quotidiana: se si fa scorrere vigorosamente un pettine tra i capelli asciutti questi ultimi si elettrizzano se strofiniamo su della lana un oggetto di plastica, esso si carica elettricamente ed attira o respinge piccoli frammenti di carta Lezione IV 91 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa INTERAZIONE TRA CARICHE - q2 +q1 +q2 - q1 Oggetti con carica dello stesso segno si respingono - q1 Oggetti con carica di segno opposto si attraggono + q2 Questo vuol dire che oggetti carichi esercitano una forza l’uno sull’altro Lezione IV 92 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa € FORZA DI COULOMB In analogia con la forza di gravitazione universale m1 m 2 Fg = G 2 r MA • la forza che agisce tra due cariche elettriche e’ molto piu’ intensa la costante deve essere molto piu’ grande di G • la forza che agisce tra due cariche elettriche e sia attiva sia repulsiva (attiva se le cariche hanno segno opposto, repulsiva se le cariche hanno lo stesso segno) FCoulomb q1q2 = k0 2 r Lezione IV con k 0 = 9 ⋅10 9 N ⋅ m 2 /C 2 nel vuoto nella materia k < k0: la materia, essendo fatta di cariche elettriche, scherma la forza di Coulomb 93 € Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Lezione IV IONI La perdita di uno o più e- trasforma gli atomi in ioni positivi L’acquisizione di uno o più e- trasforma gli atomi in ioni negativi e- Na Cl 94 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Lezione IV IONI La perdita di uno o più e trasforma gli atomi in ioni positivi L’acquisizione di uno o più e trasforma gli atomi in ioni negativi e- Na Sodio cede un elettrone al Cloro Si formano così gli ioni Na+ e Cl- Cl 95 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa IONI La perdita di uno o più e trasforma gli atomi in ioni positivi L’acquisizione di uno o più e trasforma gli atomi in ioni negativi e- Sodio cede un elettrone al Cloro Si formano così gli ioni Na+ e ClAvendo carica opposta tali ioni si attraggono Na Cl Si forma così un composto ionico detto Cloruro di sodio (sale da cucina) FE Na+ Lezione IV Cl- 96 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa IONI La perdita di uno o più e trasforma gli atomi in ioni positivi L’acquisizione di uno o più e trasforma gli atomi in ioni negativi e- Sodio cede un elettrone al Cloro Si formano così gli ioni Na+ e ClAvendo carica opposta tali ioni si attraggono Na Cl Si forma così un composto ionico detto Cloruro di sodio (sale da cucina) FE Na+ Cl- • Ioni Na+ e Cl- si trovano anche nel plasma sanguigno • Ioni Na+ e K+ giocano un ruolo fondamentale nella trasmissione dell’impulso nervoso Lezione IV 97 Lezione IV Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa CORRENTE ELETTRICA 98 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa CORRENTE ELETTRICA Il moto ordinato di cariche elettriche all’interno di un materiale è detto CORRENTE ELETTRICA. La corrente che scorre all'interno di un corpo non e' qualcosa che viene dall'esterno: sono le cariche elettriche contenute in quel corpo che si muovono I = q/t Intensita’ di corrente >> Unita’ di misura nel S.I. : [A] Ampere 1A=1C/1s Lezione IV 99 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Lezione IV CONDUTTORI E ISOLANTI Le proprieta’ elettriche di un corpo dipendono in modo determinante dal fatto che siano disponibili o meno al suo interno cariche elettriche libere di muoversi 100 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa DIFFERENZA DI POTENZIALE Affinche’ una o piu’ cariche si muovano tra due punti nello spazio e’ necessario che tra i suddetti punti ci sia una differenza di potenziale elettrico (simbolo ΔV) Per comprendere il ruolo del potenziale elettrico e della differenza di potenziale e’ utile l’analogia con il flusso di acqua di un fiume. L’acqua (equivalente della carica elettrica in questa analogia) scorre solo tra due punti tra cui ci sia una differenza di altezza >> Unita’ di misura nel S.I. : Volt [V] Lezione IV 101 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Lezione IV CIRCUITI ELETTRICI Prendiamo due corpi, uno carico positivamente e l’altro carico negativamente, tra cui esiste una differenza di potenziale V1 + - V2 102 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa CIRCUITI ELETTRICI Prendiamo due corpi, uno carico positivamente e l’altro carico negativamente, tra cui esiste una differenza di potenziale V1 - V2 Collegando i due corpi con un filo di materiale conduttore le cariche negative si muoveranno verso il corpo carico positivamente per azzerare la differenza di potenziale V1 Lezione IV + + - V2 103 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa CIRCUITI ELETTRICI Prendiamo due corpi, uno carico positivamente e l’altro carico negativamente, tra cui esiste una differenza di potenziale V1 + - V2 Collegando i due corpi con un filo di materiale conduttore le cariche negative si muoveranno verso il corpo carico positivamente per azzerare la differenza di potenziale V1 + - V2 Collocando una lampadina lungo la strada delle cariche è possibile accenderla V1 Lezione IV + - V2 104 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa CIRCUITI ELETTRICI Per mantenere il moto delle cariche serve un generatore di differenza di potenziale (ΔV) Generatore di + differenza di potenziale DV Lezione IV ΔV=V1-V2 Dispositivo elettrico semplice Spesso la differenza di potenziale viene anche chiamata forza elettromotrice (f.e.m.) o tensione 105 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa ESEMPI DI GENERATORI DI TENSIONE Pile Batteria da 12V per auto L'elettricità che arriva nelle nostre case è prodotta in apposite centrali elettriche e viaggia attraverso linee lunghe anche centinaia di chilometri Lezione IV 106 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa LEGGE DI OHM, RESISTENZA ELETTRICA Generatore di tensione (pila, dinamo, ..) Resistenza elettrica R (lampadina, stufa, ...) I + - ΔV R ΔV = R ⋅ I >> Unita’ di misura nel S.I. : [Ω] ohm 1V= 1Ω × 1A € Lezione IV 107 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa CONDUTTORI E ISOLANTI Le proprieta’ elettriche di un corpo dipendono in modo determinante dal fatto che siano disponibili o meno al suo interno cariche elettriche libere di muoversi Resistenza elettrica di un conduttore: l l R=ρ⋅ S S resistività: - caratteristica del materiale - dipende dalla temperatura € Lezione IV 108 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Lezione IV Esercizio Una batteria con una differenza di potenziale di 1.5 V sviluppa una corrente di 0.44 A che attraversa una lampadina per 64 s. Trovare a. la carica che scorre nel circuito b. la resistenza della lampadina [R. q = 28.16 C] [R. R = 3.4 ohm] 109 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa POTENZA ELETTRICA Lavoro compiuto dalle forze elettriche per portare una carica q da A a B: I A + - ? ΔV Potenza elettrica: B I L’energia fornita dal generatore elettrico viene dissipata in R sotto forma di calore (effetto Joule) Lezione IV 110 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Esempio: ENEL: Potenza installata: 3 kW=3·103 W Si pagano: kWh 1 kWh = 103 W·3600 s = = 103 W·3,6·103 s = = 3,6·106 W·s = 3,6·106 J Lezione IV 111 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa ENERGIA ELETTRICA L’energia elettrica rappresenta una delle forme d'energia più comunemente e diffusamente utilizzate: basti pensare alla luce artificiale e agli elettrodomestici che sono presenti nelle nostre case Lezione IV 112 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa CONDENSATORE PIANO area A + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + carica +Q ΔV - ++ E d ---------- carica -Q Si accumulano cariche elettriche sulle due piastre creando una d.d.p. - isolante tra le due armature Condensatore a facce piane e parallele: Capacita’ elettrica C: Unita’ di misura nel S.I.: [F] Farad 1F = 1 C/1V Lezione IV 113 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa CONDENSATORE PIANO Nota: - occorre compiere lavoro per caricare le due piastre A e B (lavoro compiuto da un generatore elettrico) - l’energia accumulata puo’ essere poi usata - utilizzato nei circuiti elettrici (simbolo ) Nota: le membrane cellulari si comportano come un condensatore !! capacità C ≈ pF (10-12 F) Lezione IV 114 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Lezione IV CORRENTE ALTERNATA La differenza di potenziale tra i due poli di una comune presa di corrente e’ alternata, ovvero presenta un andamento periodico con pocchi positivi e picchi negativi (in Europa +-310 V a 50 Hz) Si puo’ dimostrare che la potenza media dissipata nella resistenza e’ uguale a quella che si avrebbe se alla resistenza fosse applicata una differenza di potenziale costante di 220 V 115 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa CONDUZIONE ELETTRICA NEL CORPO UMANO Il corpo umano è un buon conduttore elettrico perché nei suoi liquidi vi è un’elevata concentrazione di ioni. La resistenza offerta al passaggio di corrente dipende dai punti tra cui è applicata la tensione e dalle condizioni: la pelle secca è isolante (R=2kW), se bagnata conduce (R=2W) Il passaggio di corrente può sviluppare calore, soprattutto nei punti in cui la corrente esce ed entra dal corpo, e causare scottature e ustioni Se la corrente attraversa la regione cardiaca possono prodursi eccitazioni che interferiscono con l’attività di cuore e polmoni Tempi di esposizione alla corrente brevi (< 1s) non sono in genere pericolosi Lezione IV 116 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Conduzione elettrica nel corpo umano Tempi di esposizione lunghi ad una corrente alternata con frequenza 50Hz possono dar luogo a: I ~ 1 mA 10 mA 70 mA 100÷200 mA > 200 mA ok tetanizzazione dei muscoli difficoltà di respirazione fibrillazione ustioni e blocco cardiorespiratorio Se assumiamo per il corpo umano una R=2kW (pelle asciutta) il contatto accidentale con la tensione alternata presente nelle nostre case darebbe luogo ad una corrente: Potenzialmente mortale Per questo nelle case ci sono dispositivi di messa a terra e un interruttore salvavita che controlla la corrente che circola nell’impianto e interrompe il circuito in pochi ms se riscontra anomalie Lezione IV 117 Lezione IV Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa FENOMENI MAGNETICI 118 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa MAGNETISMO Il magnetismo è un’altra delle proprietà fondamentali della materia Alcune pietre (calamite naturali o magneti) si attraggono a vicenda ed attraggono materiali come il ferro o l’acciaio Lezione IV Un pezzo di acciaio temperato in presenza di un magnete acquista proprietà magnetiche che non perde neppure quando lo si separa dal magnete: diventa una calamita permanente 119 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa LA TERRA E’ UNA GRANDE CALAMITA Un ago calamitato libero di girare intorno al suo centro (bussola) assume rispetto alla terra una posizione definita, orientandosi lungo la direzione nord-sud. L’estremità dell’ago che si orienta verso Nord si chiama “Polo Nord” del magnete. Analogamente è chiamata “Polo Sud” l’estremità che si rivolge a Sud Anche la Terra si comporta come una grande calamita Lezione IV 120 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa POLI MAGNETICI Qualunque magnete, come l’ago magnetico, presenta un Polo Nord e un Polo Sud. Se si spezza in due un magnete si ottengono 2 magneti, ciascuno con un Polo Sud e un Polo Nord. La stessa cosa accade se dividiamo in due i “magnetini” ottenuti. Fino ad oggi non si è ancora riusciti ad individuare un oggetto magnetico costituito da un ‘unico polo Il polo Nord di una calamita respinge il polo Nord di un’altra calamita, mentre attrae il suo Polo Sud Poli uguali si respingono Poli opposti si attraggono Lezione IV repulsione attrazione 121 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Lezione IV APPLICAZIONI MEDICHE DI ELETTRITICITA’ e MAGNETISMO Diverse sono le apparecchiature mediche che utilizzano campi elettrici e magnetici a scopo diagnostico ECG, EEG osservando le differenze di potenziale tra diverse parti del corpo si traggono informazioni sul funzionamento del cuore e del cervello La risonanza magnetica utilizza campi magnetici e onde radio per produrre immagini tridimensionali degli organi Defibrillatore: se alla regolare attività elettrica del cuore subentra un’attività continua e anarchica si ha fibrillazione ventricolare con arresto della circolazione. Se il cuore in fibrillazione è attraversato da una corrente elettrica intensa ma di breve durata, le cellule cardiache vengono simultaneamente depolarizzate e possono riprendere il giusto ritmo. 122 Lezione IV Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa FENOMENI ONDULATORI 123 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa ONDA Oscillazione ma ... di che cosa? Oscillazione della posizione, velocità, accelerazione di un mezzo materiale ONDA ELASTICA (esempio: onde del mare, onde sonore, onde lungo una corda vibrante) Oscillazione dei vettori campo elettrico e magnetico ONDA ELETTROMAGNETICA si propaga anche nel vuoto Se l’oscillazione si ripete ad intervalli regolari l’onda è detta periodica Lezione IV 124 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Lezione IV LUNGHEZZA D’ONDA Immaginiamo di fotografare una corda in oscillazione otteniamo un’istantanea a tempo fissato Lunghezza d’onda: distanza tra due massimi successivi; si indica con λ (“lambda”) e si misura in metri 125 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa PERIODO Immaginiamo di fissare sempre lo stesso punto di una corda in oscillazione al trascorrere del tempo otteniamo una ripresa a spazio fissato Periodo: distanza tra due massimi successivi; si indica con T e si misura in secondi Frequenza: l’inverso del periodo, f = 1/T, si misura in secondi-1 Lezione IV 126 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa VELOCITA’ DI PROPAGAZIONE velocità = spazio/tempo velocità = lunghezza d’onda/periodo v = λ/T = λf Si osservi che lunghezza d’onda e frequenza sono inversamente proporzionali Lezione IV 127 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Esercizi Calcolare la frequenza corrispondente ad un’onda di periodo T=10 msec. Calcolare la corrispondente lunghezza d’onda sapendo che la velocità di propagazione è v=340 m/s Lezione IV 128 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa ONDE ACUSTICHE ONDE ACUSTICHE: compressione e rarefazione aria ‘onde di pressione’ Δp = Δpo sen(2 π ⋅ x λ ) • Se di frequenza compresa tra 20 Hz e 20000 Hz suono udibile dall’orecchio umano • Sotto i 20 Hz infrasuoni € • Sopra i 20000 ultrasuoni Numerose applicazioni mediche, per esempio flussimetria Doppler e ecografia a ultrasuoni Lezione IV 129 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa ONDE ACUSTICHE Materiale Velocità di propagazione Aria 344 m/s Acqua 1480 m/s Tessuto corporeo 1570 m/s Legno 3850 m/s Alluminio 5100 m/s Vetro 5600 m/s NOTA: Nel passaggio tra due mezzi con diverse velocità di propagazione, la frequenza dell’onda si mantiene inalterata mentre varia la lunghezza d’onda. Lezione IV 130 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa POTENZA E INTENSITA’ SONORA Potenza P di una sorgente [W] È l’energia emessa da una sorgente (sonora) nell’unità di tempo Intensità di un’onda I [W/m2] Rappresenta l'energia trasportata dall’onda che nell'unità di tempo fluisce attraverso una superficie unitaria L’intensità è inversamente proporzionale al quadrato della distanza dalla sorgente Lezione IV 131 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Esercizio L’intensità di un’onda a 10 cm dalla sorgente è pari a 100 W/m2. Calcolare l’intensità ad un metro di distanza dalla sorgente. Lezione IV 132 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa LOG10 Il log10 di un numero qualsiasi a (base) e’ l’esponente che devo dare a 10 per ottenere a Il calcolo dei logaritmi si semplifica notevolmente quando la base e’ una potenza di 10 log10 10n = n! Infatti l’esponente che devo dare a 10 per ottenere 10n e’ n! Lezione IV 133 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa DECIBEL L’orecchio umano è sensibile ad intensità sonore tra 10-12 W/m2 e 102 W/m2. Tuttavia, la sensazione uditiva non è proporzionale all’intensità sonora, ma approssimativamente al suo logaritmo. Livello di intensità sonora IL [dB] E` definito come il logaritmo del rapporto fra l’intensità misurata ed una intensità di riferimento (I0): Per convenzione internazionale: I0 = 10-12 W/m2 (minima intensità percepibile dall’orecchio umano) 10-12 W/m2 a 102 W/m2 → tra 0 e 140 dB Lezione IV 134 Lezione IV Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Esempi di intensità sonora 135 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa ONDE ELETTROMAGNETICHE Si può verificare sperimentalmente che un campo elettrico variabile nel tempo produce un campo magnetico un campo magnetico variabile nel tempo produce un campo elettrico Campo magnetico variabile genera campo elettrico questo campo elettrico è variabile e genererà un campo magnetico questo campo magnetico è variabile e genererà a sua volta un campo elettrico variabile … Il Risultato è la produzione di un’onda che si propaga nello spazio detta onda elettromagnetica Lezione IV 136 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa ONDE ELETTROMAGNETICHE Tutte le onde em nel vuoto si propagano con la stessa velocità, pari alla velocità della luce: c= 3·108 m/s La relazione tra lunghezza d’onda frequenza e velocità di propagazione per un’onda elettromagnetica diventa: c = λ/T = λ·f Lezione IV 137 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa SPETTRO ELETTROMAGNETICO All’ aumentare della lunghezza d’onda diminuiscono la frequenza e l’energia Lezione IV 138 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa SPETTRO ELETTROMAGNETICO Come vengono utilizzate le onde elettromagnetiche alle varie frequenze? Scintigrafia SPECT Radiologia TAC Radioterapia Lezione IV 139 Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa Lezione IV UTILIZZO RAGGI GAMMA DIAGNOSTICA: al paziente viene iniettato un radiofarmaco, ovvero un farmaco marcato con un isotopo radioattivo emettitore di raggi γ il paziente diventa una sorgente di raggi gamma, in particolare i tessuti che metabolizzano il farmaco informazioni morfologiche e funzionali TERAPIA: radioterapia con fotoni (prodotti con acceleratori lineari) 140 Lezione IV Fisicaa Applicata, Area Infermieristica , M. Ruspa UTILIZZO RAGGI X 141
