Fisica Applicata, Area Infermieristica, M. Ruspa
ELETTROMAGNETISMO
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Seconda legge di Ohm
La resistenza elettrica di un
conduttore di sezione S e
lunghezza l si calcola come:
S
l
Seconda legge
di Ohm
Unità di misura:
• R = resistenza elettrica in Ω
• l = lunghezza del conduttore in m
• S = sezione del conduttore (in m² - unità pratica mm²)
• ρ = resistività del conduttore
(in Ω·m - unità pratica Ω · cm)
resistività:
- caratteristica
del materiale
- dipende dalla
temperatura
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ESERCIZIO
Una fibra nervosa puo’ essere approssimata come un lungo
cilindro. Se il suo diametro e’ 10-5 m e la sua resistivita’ e
2 Ωm, qual’e’ la resistenza di una fibra lunga 0.3 m?
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CORRENTE CONTINUA e ALTERNATA
Se il verso della corrente e’ costante nel tempo la corrente si
dice continua.
Le leggi studiate fin ad ora valgono per la corrente continua
Se il verso della corrente si inverte periodicamente la corrente si
dice alternata.
Per generare una corrente alternata occorre una differenza di
potenziale alternata.
La differenza di
potenziale tra i due poli
di una comune presa di
corrente e’ alternata
(in Europa f=50 Hz)
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CORRENTE ALTERNATA
Se colleghiamo una resistenza R ad una differenza di
potenziale alternata, la potenza media dissipata nella
resistenza e’ uguale a quella che si avrebbe se alla
resistenza fosse applicata una differenza di potenziale
costate di 220 V
P = IΔV = I220V
R = ΔV /I = 220V / I
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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
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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
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MAGNETISMO
Il magnetismo è una delle proprietà fondamentali della materia
Alcune pietre (calamite naturali o
magneti) si attraggono a vicenda ed
attraggono materiali come il ferro o
l’acciaio
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
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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
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POLI MAGNETICI
Qualunque magnete 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.
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
repulsione
attrazione
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CAMPO MAGNETICO
Un magnete perturba lo spazio circostante generando
intorno a se un campo magnetico (B).
>>> Unita’ di misura nel S.I.
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EFFETTO del CAMPO MAGNETICO su
una CARICA ELETTRICA
B
Sperimentalmente vedo che si
esercita una forza che dipende da:
Carica q della particella
Modulo v della velocità della
particella
Intensità del campo magnetico B
Angolo θ tra v e B
Una particella neutra non e’ mai sottoposta a forza
Una particella carica ferma non e’ sottoposta a forza
Se il moto e’ parallelo alle linee di forza del campo magnetico, la
particella carica non e’ sottoposta a forza
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FORZA DI LORENTZ
F = q v B senθ
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FORZA ELETTRICA E
FORZA MAGNETICA
F=qE
• FELETTRICA e’ parallela o antiparallela a E
FMAGNETICA e’ perpendicolare a B
• FELETTRICA agisce su una particella carica, sia ferma che in
movimento
FMAGNETICA agisce solo su una particella carica in movimento
• FELETTRICA compie lavoro
FMAGNETICA non compie lavoro
- Quindi l’energia cinetica di una particella carica non può
essere modificata da B
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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
(onda elettromagnetica)
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COS’E’ UN’ONDA?
OSCILLAZIONI che si propagano nello spazio con trasporto
di energia ma senza trasporto di materia
Un’ oscillazione ma ... di che cosa?
Oscillazione dei vettori
campo elettrico e magnetico
Oscillazione dei punti di un
mezzo materiale
ONDA
ELETTROMAGNETICA
si propaga anche nel vuoto
ONDA ELASTICA
(esempio: onde del mare,
onde sonore, onde lungo
una corda vibrante)
Se l’oscillazione si ripete ad intervalli regolari l’onda è detta
periodica
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TIPI DI ONDE
Onde trasversali
vibrazione
propagazione
esempio :
onda lungo una corda
Onde longitudinali
vibrazione
esempio :
onda di percussione in un solido
propagazione
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LUNGHEZZA D’ONDA
Immaginiamo di fotografare una corda in oscillazione
otteniamo un’istantanea a tempo fissato
Grafico:
- Asse x
distanza del
puntoconsiderato
dalla
sorgente
- Asse y spostamento di un
punto dalla sua posizione di
equilibrio
Lunghezza d’onda: distanza tra due massimi successivi; si indica
con λ (“lambda”) e si misura in metri
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PERIODICITA’ NEL TEMPO
Fissiamo un punto, per esempio A, e vediamo come varia la
sua posizione nel tempo al passaggio dell’onda
A
Grafico:
- Asse x tempo
- Asse y spostamento di
un punto dalla sua posizione
di equilibrio
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PERIODO e FREQUENZA
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
Periodo (e frequenza) sono caratteristiche intrinseche dell’onda
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VELOCITA’ DI PROPAGAZIONE
λ
V = = λ⋅ f
T
La velocita’ di propagazione di un’onda dipende dal mezzo.
Es per le onde sonore:
€
Materiale
Velocità di propagazione
Aria
344 m/s
Acqua
1480 m/s
Tessuto corporeo
1570 m/s
Legno
3850 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.
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ONDE SONORE
ONDE SONORE: compressione e rarefazione aria
• Se di frequenza compresa tra 20 Hz e 20000 Hz suono
udibile dall’orecchio umano
• Sotto i 20 Hz infrasuoni
• Sopra i 20000 ultrasuoni
Gli ultrasuoni hanno numerose applicazioni mediche, per esempio
flussimetria Doppler, ecografia e applicazioni fisioterapiche e
frantumazione di calcoli renali.
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ESERCIZIO
Un pipistrello puo’ avvertire ultrasuoni fino alla frequenza
di 130000 Hz. Calcolare la lunghezza d’onda degli ultrasuoni
in aria.
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ONDE ELETTROMAGNETICHE
Tutte le onde em nel vuoto
si propagano con la stessa
velocità, pari alla velocità
della luce:
c= 3·108 m/s
(massima velocita’
raggiungibile in natura)
In un mezzo si propagano con v<c, dipendete dal mezzo.
Definiamo indice di rifrazione di un mezzo
c
n=
V
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SPETTRO ELETTROMAGNETICO
All’ aumentare della frequenza aumenta l’energia
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SPETTRO ELETTROMAGNETICO
Come vengono utilizzate le onde elettromagnetiche alle
varie frequenze?
Scintigrafia
SPECT
Radioterapia
Radiologia TAC
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UTILIZZO RAGGI X
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TAC (radiologia)
TUBO A
RAGGI X
FASCIO DI
RAGGI X
RIVELATORI DEI
RAGGI X
ES.
PAZIENTE
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UTILIZZO RAGGI GAMMA:
SPECT (medicina nucleare)
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
SOLO RIVELATORI
(no tubo a raggi X!!!)
ES.
