elettromagnetismo

LICEO SCIENTIFICO “CAVOUR”
Test di Fisica per la classe 5D Durata della prova 1 or e 15 minuti
1) La figura a lato riproduce il noto esperimento di Oersted. Inquadra
storicamente il suddetto esperimento
Il fisico francese Ampère cercò di ricondurre le forze del tipo di quelle
osservate da Oersted al caso delle forze centrali, precisamente ad una
interazione corrente- corrente.
Quale ipotesi fu costretto ad introdurre sulla natura del magnetismo?
Come si concilia la suddetta ipotesi con la moderna interpretazione microscopica della materia?
2)Enuncia la legge di Ampère sull’interazione corrente-corrente.
Rappresenta con un disegno come la stessa interazione può essere considerata una
conseguenza della legge di Laplace e della legge di Biot-Savart
3)In che cosa consiste il diodo a giunzione? Perché può essere utilizzato come interruttore o
come raddrizzatore?
4)Illustra sinteticamente la differenza tra conduttori, isolanti e semiconduttori, facendo un
breve riferimento alla loro struttura microscopica (modello a bande di energia)
1)
Nel 1820 il fisico danese H.C. Oersted , il quale condivideva alcune istanze della filosofia romantica,
eseguì una serie di esperimenti con i quali provò come un conduttore rettilineo percorso da
corrente fosse in grado di cambiare la posizione di equilibrio di un ago magnetizzato.
Anche se la forza elettrica e la forza magnetica erano note sin dall’antichità, nessuno prima era riuscito ad
evidenziare un’interazione tra cariche e magneti; ciò era dovuto al fatto che si tentava di far interagire i
magneti con cariche ferme mentre tale interazione è possibile invece solo se le cariche sono in movimento .
Solo dopo l’invenzione della pila, ad opera di Alessandro Volta tra la fine del ‘700 e l’inizio dell’800, è
stato possibile ottenere correnti persistenti nel tempo .
La scoperta di Oersted risultava inoltre quanto mai sorprendente in quanto la forza che essa evidenziava
fuoriusciva in modo completo dal tipo di forze ( forze centrali) che stavano alla base della teoria
gravitazionale newtoniana e che fino allora avevano spiegato con successo le attrazioni e le repulsioni
elettriche e magnetiche.
Tali forze sono infatti caratterizzate da due proprietà:
 si manifestano tra enti fisici di uguale natura
 sono dirette lungo la retta congiungente i due corpi, supposti puntiformi.
L’ago magnetico invece era soggetto ad una rotazione e si disponeva perpendicolarmente al filo. 1
In pratica il magnete si orientava in direzione tangente alla circonferenza passante per il magnete, giacente
in un piano perpendicolare al filo e concentrica con la sezione del filo stesso. Si osservo inoltre che,
cambiando il verso della corrente, gli aghi magnetici si posizionavano con le polarita opposte a prima
Quando il fisico francese Arago diede comunicazione della scoperta di Oesterd all’Accadémie des
Sciences, il grande Ampère , di formazione illuminista, ne restò molto impressionato , ma nello stesso
tempo sentì l’esigenza di spiegare il fenomeno nell’ambito di uno schema newtoniano-coulombiano.
Verificò sperimentalmente l’esistenza di interazioni non solo tra correnti e magneti, ma anche tra
correnti e correnti e dedusse che poteva essere ipotizzata un’equivalenza tra magneti e circuiti
elettrici. Lo stesso magnetismo delle calamite naturali poteva essere spiegato come effetto
macroscopico di correnti esistenti a livello microscopico. In tal modo tutte le interazioni, tra
magneti e correnti o tra poli magnetici, si riducevano a interazioni tra correnti
Ampere ipotizzo che all’interno di un magnete vi fossero tante correnti microscopiche tutte nello stesso
verso. Nei punti all’interno del magnete le correnti si neutralizzano, e la corrente risultante e una corrente
unica sulla superficie.
L’interazione scoperta da Oersted era quinti uyn’interazione tra la corrente del filo e la corrente che scorre
sul mantello dell’ago magnetico.
La posizione di equilibrio dell’ago corrisponde prorio alla posizione in cui le due correnti sono parallele.
Ampere fu indotto a formulare la sua ipotesi dall’osservazione delle linee di campo magnetico generate
da un magnete di forma cilindrica e da quelle generate da un solenoide, cioe una bobina di filo.
La somiglianza e tanto maggiore quanto piu compatte sono le spire.
L’ipotesi di Ampere (detta principio di equivalenza) puo venire estesa anche a singole
spire. Si osserva infatti sperimentalmente come il campo magnetico prodotto da una spira
circolare percorsa da corrente sia analogo al campo magnetico prodotto da un piccolo magnete.
. L'ipotesi di Ampere, che non era stata presa troppo sul serio dai suoi contemporanei, è invece oggi
avvalorata dai moderni modelli di atomo che prevedono l'esistenza di elettroni in moto attorno al
nucleo. Tali elettroni nella fisica moderna giocano il ruolo delle spire circolari ipotizzate da
Ampere.
2) La forza di interazione tra due fili rettilinei paralleli, percorsi da corrente, è direttamente
proporzionale all’intensità delle due correnti e alla lunghezza del tratto di filo, inversamente
proporzionale alla distanza
Considerando i2 immersa nel campo magnetico generato da i1, per la legge di Laplace, la forza ha la
direzione e il verso indicata in figura (regola del prodotto vettoriale : F <<vede>> i ruotare verso B in senso
antiorario)) e modulo pari a i2lB
Per la legge di Biot-Savart
quindi
( legge di Ampère)
Il verso di F prova che se le due correnti sono concordi la forza è attrattiva
3) Il diodo a giunzione è un diodo a semiconduttore molto diffuso nell'ambito dell'elettronica a
stato solido. Esso è stato il primo dispositivo a semiconduttore reso disponibile commercialmente,
negli anni quaranta del XX secolo.
Esso viene attualmente realizzato utilizzando prevalentemente cristalli di Silicio drogati ad
un'estremità (chiamata zona p) con atomi di Boro , trivalente,ed all'altra (chiamata zona n) con
atomi di Fosforo, pentavalente. Tra la zona p e la zona n vi è una relativamente piccola zona di
transizione dove il tipo del drogaggio del semiconduttore varia bruscamente, per cui questa area del
cristallo viene usualmente definita giunzione p-n.
la zona n corrisponde alla parte a destra, ed il terminale corrispondente viene chiamato usualmente
catodo, mentre la zona p corrisponde alla parte a sinistra, , ed il corrispondente terminale viene
chiamato usualmente anodo.
simbolo circuitale
anodo.
catodo,
Attraverso la giunzione si verificherà un passaggio di cariche nei due sensi, tendente a riportare una
situazione di stabilità, ed in particolare il flusso di lacune si sposterà verso la zona N, mentre il
flusso di elettroni attraverserà la giunzione in senso opposto.
Il processo si arresta quando si sarà
creata una barriera di potenziale Vo
a favore della zona N, barriera che
impedisce un ulteriore flusso di
cariche
Applicando una tensione V con il
morsetto negativo alla zona P e con
il morsetto positivo alla zona N il
diodo è polarizzato inversamente.
La presenza di questa tensione
provoca un aumento della barriera
di potenziale V0 + V, si ha dunque
una riduzione del flusso di cariche
maggioritarie, cioè gli elettroni dal
lato N e le lacune dal lato P, sono impediti ad attraversare la barriera. Non sono influenzati invece i
portatori di carica minoritari, cioè le lacune dal lato n e gli elettroni dal lato p, che quindi contribuiscono a creare una
corrente indicata in figura, chiamata corrente di saturazione inversa I0.
Nella seconda figura invece i morsetti vengono ribaltati, il morsetto positivo del generatore di
tensione viene collegato al lato p e quello negativo al lato n: si ha polarizzazione diretta. In questo
caso la tensione V viene sottratta V0 − V abbassando la barriera di potenziale non sussiste più
l'equilibrio e gli elettroni della zona n (portatori maggioritari) tendono a spostarsi verso la zona P e
viceversa le lacune dalla zona p si spostano verso la zona N: la loro somma crea una corrente
diretta nel diodo.
Questo comportamento del diodo spiega percè , nei circuiti, viene utilizzato come interruttore , veloce e a
resistenza molto bassa, o come raddrizzatore di tensione alternata (permette il passaggio di corrente in un sol
verso)
4)
Il diverso comportamento dei conduttori in un campo elettrico dipende dalla loro struttura interna;
abbiamo già visto che la resistenza è una caratteristica del conduttore, che dipende dalle sue
caratteristiche geometriche (lunghezza e sezione) e chimiche (resistività).
Si può comunque parlare di resistività per qualsiasi sostanza, osservando che essa varia da valori molto
bassi, dell’ordine di grandezza di 10-8 per i metalli, fino a valori molto alti, dell’ordine di grandezza di
10 20 per gli isolanti( a 20°C)
Gli elementi che hanno valori intermedi di resistività, come il germanio e il silicio presentano un
comportamento intermedio tra isolanti e conduttori e vengono chiamati semiconduttori.
A basse temperature essi sono isolanti, ma diventano conduttori se riscaldati opportunamente o se in
essi vengono immesse delle impurità ( drogaggio).
A differenza dei metalli, per i quali l’aumento di temperatura comporta un aumento della resistività, gli
isolanti e i semiconduttori aumentano la loro conducibilità
Per comprendere il motivo di questa diversità di comportamento dobbiamo fare riferimento alla
struttura microscopica.
Secondo il modello atomico classico, ogni elettrone ha un ben determinato livello energetico
corrispondente alla sua orbita, ma quando più atomi si uniscono per formare un cristallo, i nuclei
vicini attirano anch’essi l’elettrone, e abbassano l’energia potenziale di legame. La zona di
conduzione di un cristallo non è più quindi costituita da un livello energetico, ma da una banda di
energia più ampia, costituita da un insieme di livelli energetici vicini:
Un elettrone che possiede una quantità di energia caratteristica del proprio livello, per passare al
livello superiore (bande permesse) deve acquistare una precisa quantità di energia, che gli permette
di saltare la banda proibita o gap.
La banda più esterna è definita banda di valenza: quando gli elettroni di valenza superano l’energia
necessaria, la banda si trasforma in banda di conduzione.
Principio di Pauli: non possono esservi più di due elettroni in ogni livello energetico: un elettrone si
più muovere, quindi, solo se, nella stessa banda di conduzione, vi sono livelli energetici con delle
lacune non occupate da elettroni: la conducibilità dipende dall’affollamento delle bande.
Negli isolanti la banda di valenza è completamente occupata e gli elettroni più esterni, per diventare
elettroni di conduzione, devono saltare nella successiva banda permessa: il gap è però alquanto
ampio, e così la differenza di energia (10 eV).
Nei metalli la banda di valenza non è completamente occupata, e questo permette agli elettroni di
muoversi più facilmente; si dice comunemente che nei buoni conduttori la bada di valenza e la
banda di conduzione sono parzialmente sovrapposte
Nei semiconduttori si ha una struttura analoga a quella degli isolanti, con la differenza che il gap di
energia che un elettrone deve superare per pssare alla banda di conduzione è molto più basso
rispetto agli isolanti.
Un aumento di temperatura può fornire l’energia sufficiente affinchè l’elemento cominci a
condurre.
Per quanto riguarda i legami chimici, va osservato che gli elementi semiconduttori hanno valenza 4
e gli atomi formano tra loro legami covalenti generalmente molto stabili, L’aumento di agitazione
termica può provocare però la rottura dei legami e di conseguenza la presenza di portatori liberi di
carica.
Gli elettroni sono portatori di carica negativa, mentre le lacune sono portatori di carica positiva.
Il drigaggio, ovvero l’immissione di elementi estranei, a valenza 5 o 3, provoca un aumento dei
portatori di carica ( rispettivamente negativi o positivi)