Fisica quinto anno PDF

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Appunti completi del quinto anno di fisica al liceo linguistico. Con esempi e formule...

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1) Elettrizzazione ● La  è una grandezza scalare rilevabile tramite un microscopio a foglia, e la sorgente delle forza dei campi elettrici. Cariche dello stesso segno si RESPINGONO e cariche di segni opposti si ATTRAGGONO. I materiali come i metalli che permettono il passaggio di cariche elettriche sono detti conduttori; materiali come la plastica che non permettono il passaggio di cariche elettriche sono detti isolanti. (6) ● Due corpi vengono strofinati e si caricano, in quanto gli elettroni (più esterni) vengono ceduti o acquistati a seconda del materiale. Il vetro strofinato ad esempio sulla seta acquista carica positiva, in quanto essa cede parte della sua carica elettrica. ● È l’elettrizzazione di un corpo ponendolo in contatto con un altro corpo elettricamente carico con un microscopio a foglia. La bacchetta di vetro strofinata sul panno di seta acquista carica positiva, se questa viene appoggiata sull’asticciola metallica dell’elettroscopio  , gli elettroni vengono attratti al polo superiore. Le lamine si caricano positivamente e quindi si respingono facendole allontanare.

● Avviene una ridistribuzione delle cariche già presenti sul corpo, a causa della presenza nelle vicinanze di un altro corpo carico.

● Avvicinando un corpo carico ad uno neutro, sulla superficie di quello neutro si produce un eccesso di cariche di segno opposto e i due corpi si attraggono, la ridistribuzione delle cariche è detta polarizzazione.

2) LEGGE DI COULOMB Il modulo della forza di attrazione o repulsione elettrostatica tra due corpi puntiformi elettricamente carichi è direttamente proporzionale al prodotto delle cariche possedute dai due corpi e inversamente proporzionale al quadrato della loro distanza. q 1q 2

F =k

r2

F = forza elettrica ● La direzione della forza è quella della congiungente, i centri dei due corpi; ● Il verso è determinato dal segno delle due cariche, la forza è repulsiva o attrattiva; ● La forza che q1 esercita su q2 è uguale in modulo alla forza che q2 esercita su q1 K = costante elettrica ● Dipende dalle materiale in cui sono immerse le cariche; ● Nel vuoto è chiamata costante elettrica del vuoto. 2 k = 9 · 109 N C· 2m r2= distanza tra le cariche q1 e q2 = cariche elettriche ●

Ftot = F1 → F2 + F2 → F3 Le cariche vengono studiate a coppie. +

q 1 e q2+ / q 1− e q2 −

FORZA REPULSIVA  Le due cariche si respingono in modo reciproco e con la stessa Intensità. ● MODULO  ● DIREZIONE  ● VERSO =/

+

−

−

q 1 e q2 /q 1 e q 2

+

FORZA ATTRATTIVA  ● MODULO  ● DIREZIONE  ● VERSO =/ Le due cariche si attraggono in modo reciproco con la stessa intensità.

3) IL CAMPO ELETTRICO Le cariche elettriche modificano lo spazio in cui esse si trovano, rendendo ogni punto sede di forze elettriche, in grado di agire su altre cariche.

Forza esercitata tra le cariche

F =

Forza esercitata tra le masse

F = G m1·r2m2

q 1·q 2 k r2

La costante gravitazionale valida per tutte le masse, G vale: 2

6, 670 · 10−11 N·m k2

Nel caso particolare in cui si debba calcolare la massa della terra e la massa di un oggetto sulla superficie terrestre, r 2 coincide con la forza peso.

Fp = m · g Le leggi hanno la stessa struttura ma in una osservo le cariche, nell’altra le masse ●

Il vettore campo elettrico in un punto P è uguale al rapporto tra la f orza elettrica che agisce su una carica di prova q, positiva posta nel punto P, e la carica di prova stessa.

E=

F q2

→ q è per convenzione positiva e piccolissima, in modo che non alteri sensibilmente il campo in cui è introdotta. → la direzione del vettore è quella della congiungente delle due cariche. → il campo elettrico misurato in un punto P dello spazio non dipende dalla carica di prova posta in quel punto. → dato che la carica di prova q è positiva, il verso del vettore nel punto P è quello della forza che agisce su una carica positiva, stessa cosa per una carica negativa -q, che risentirà di una forza diretta in verso opposto.

→ il vettore campo elettrico ha il verso delle linee di campo e il suo modulo è proporzionale alla densità delle linee. (il campo è più o meno intenso dove le linee sono più o meno intense) ● Una linea di campo è una linea orientata in cui le rette tangenti in ogni suo punto indicano la direzione del vettore campo elettrico.

● in cui viene proposta una carica di prova q → campo radiale

E=

k · q1·Q r2

q

= k·

Q r2

(modulo)

Le linee di campo sono disposte in modo radiale perchè la forza è posta sulla congiungente e quindi anche il campo elettrico. La formula esprime il valore del campo elettrico in un dato punto P che si trova a distanza r dalla carica di origine Q. ● LINEE USCENTI (+) o ENTRANTI (-) ● MODULO =/ ● DIREZIONE =/ (perchè il modulo non si mantiene costante)

●

Direzione, verso e modulo costanti.

Densità della carica superficiale

E=

σ 2ε

= densità della forza

→ Nel caso di una distribuzione di cariche positive:

Per essere uniforme va studiato separato.

●

CONDENSATORE: - dispositivo che immagazzina energia elettrica - È formato da due lastre piane metalliche chiamate armature, poste a distanza contenuta in modo che gli effetti siano trascurabili ai poli (che siano infinite)

Per essere UNIFORME i due campi si studiano separati. → il campo elettrico all’esterno è nullo in qualsiasi punto; → il campo elettrico all’interno è equivalente alla somma dei due contributi (uscente rispetto alla lastra positiva ed entrante rispetto a quella negativa). ALL’INTERNO IL CONDENSATORE PRESENTA UN CAMPO ELETTRICO UNIFORME

Il problema generale dell’elettrostatica consiste nel determinare il potenziale elettrico (V) o il campo elettrico (E) in tutti i punti dello spazio, conoscendo la carica che si trova su ognuno degli eventuali conduttori presenti (dei quali sappiamo forma e posizione  nello spazio). (conduttore in cui le cariche presenti sopra di esso sono FERME) Quando il conduttore si trova in equilibrio, gli esperimenti dimostrano che: - La carica  presente in eccesso nei conduttori si trova TUTTA  sulla superficie esterna - La densità di carica è > nelle parti del conduttore con curvatura  > (le punte) (vogliamo vedere il C.E. che si genera) 1) All’interno del conduttore in  equilibrio elettrostatico il C.E. è nullo.  es. macchina durante temporale Se così non fosse, le cariche libere (elettroni nei conduttori metallici) al suo interno si muoverebbero per effetto del C.E.,  se le cariche si muovono significa che il conduttore è in equilibrio. → il conduttore ha però un effetto  schermante Es. Gabbia di Faraday 2) Il VETTORE ha una direzione perpendicolare alla superficie stessa Se così’ non fosse, vorrebbe dire che non formo un angolo di 90° e significa che posso trovare la componente  parallela che produrrebbe una forza e farebbe muovere le cariche lungo la superficie.  questo non può essere perchè il conduttore è in equilibrio  elettrostatico

● Il VERSO del vettore C.E. è esterno se la carica spalmata sul conduttore è positiva +, interno se la carica è negativa ● Il MODULO del C.E. in un punto sulla superficie del conduttore viene dimostrato con il . (il modulo nel dato punto P che varia Da punto a punto perché la superficie non è carica) In prossimità delle punte il C.E. è più intenso.

● Il POTENZIALE ha lo stesso valore in tutti i punti (all’interno e sulla superficie) di un conduttore in equilibrio. Sono  Il lavoro per spostare la carica da A a B è 0 perchè il C.E. è nullo Dato che ΔV è l’opposto del lavoro fratto  quindi ΔV = 0

Abbiamo detto che un conduttore su una superficie elettrostatica è una superficie equipotenziale, quindi le lastre di un  (materiale conduttore) sono superfici  equipotenziali.

Per conoscere il potenziale  elettrico in tutti i punti dello spazio, bisogna fissare una posizione di riferimento  . Le scelte più comuni sono 3: Quando il C.E. è generato da cariche puntiformi

Il potenziale è nullo sul suolo della terra

Es. un condensatore ha un potenziale di 20000V, significa che 20000V è la differenza tra il potenziale del conduttore e quello della terra

Quando non collego il conduttore a terra perché isolato ma lo collego ad un altro conduttore. Quando un conduttore è collegato elettricamente con la terra (fil di ferro), si dice che il conduttore è messo a terra

Il condensatore è un dispositivo formato da due  armature fatte in modo che quando una di esse riceve la carica positiva, l’altra acquisti per induzione una carica  negativa. è un condensatore formato da due lastre metalliche parallele (armature) poste ad una distanza piuttosto piccola rispetto alla loro dimensione.

È un unico conduttore ed è una superficie equipotenziale con V=0

Caricando positivamente una lastra, la seconda si carica negativamente per induzione  è messa a terra PERCHé diventa un unico conduttore e le cariche che vengono ridistribuite non sono solo quelle della lastra (altrimenti rimarrebbe neutra) ma anche quelle della terra. Il rapporto tra la carica che porto sulla lastra e la differenza di potenziale tra la carica delle due lastre deve essere 

La costante ha come valore:  (la capacità del condensatore che esprime la costante del rapporto tra la carica che porto sulla lastra e la differenza di potenziale tra la carica delle due lastre.  dipende dalle caratteristiche tecniche del condensatore. Es. s upponiamo di avere due condensatori con due capacità diverse  Q1 Q2 ha una capacità più grande, implica quindi che ΔV > ΔV quindi io devo portare più carica sul

primo condensatore per avere la stessa differenza di potenziale.

Q = C · ΔV ΔV =

Q C

→  Es. consideriamo un condensatore piano

(dipende da formula e dimensioni)

All’interno si genera un C.E. dato da C = dipende quindi da: in cui sono immerse le cariche

S·ε d che

Il condensatore ha una data capacità, quando premo il tasto la distanza diminuisce e la capacità cambia - i circuiti elettrici rilevano i dati e li segnalano al computer per caricarlo è necessario compiere un lavoro per vincere le forze elettriche repulsive dello stesso segno già presenti sulla lastra.

Se voglio portarne un’altra, questa verrà respinta (le forze elettriche delle cariche fanno il lavoro resistente). Se c’è un lavoro c’è una variazione di energia ΔE P el = − L F e Visto che il lavoro della forza elettrica è già negativa, l’opposto del lavoro sarà positivo. è aumentata l’energia



Più carica c’è, più lavoro è stato fatto e più energia è stata Immagazzinata

La corrente  elettrica è un moto ordinario di cariche elettriche. Le cariche non si muovono a caso grazie al campo  elettrico perché sono soggette alla forza di essa. As esempio, in un filo  metallico, le cariche elettriche in movimento sono gli elettroni.

Verifica quanta carica passa in una certa  SEZIONE in un dato intervallo di tempo

= al rapporto tra la quantità di carica che attraversa Una sezione del conduttore e l’intervallo di tempo impiegato

Per convenzione il verso della corrente è quello in cui si muovono le cariche positive Anche se gli 

vanno dalla parte opposta

Una corrente si dice CONTINUA quando la sua intensità NON cambia nel tempo

Per far muovere le cariche è necessaria una differenza  di potenziale elettrico. + → riduzione di potenziale - → aumento di potenziale

verso corrente Elettrica Aumento + - riduzione di potenziale di potenziale Questa corrente, man mano che fluisce, tende ad annullare la diff.  di pot. Per mantenere la corrente occorre ricreare il dislivello di potenziale con un  ideale di tensione continua.

,

è un dispositivo capace di mantenere ai suoi capi (estremi) una diff. di pot.  di qualunque sia la corrente da cui è attratto Es. pila La pila preleva le cariche positive (per convenzione) dove il potenziale è più basso e le sposta dove il Potenziale è più alto. Quando esse si trovano a V più in alto, le cariche scendono spontaneamente verso il V più basso, creando corrente.

Il fisico tedesco Ohm (fine ‘700 fine ‘800) verificò sperimentalmente che esiste un’ampia classe (non tutti) di conduttori detti  per i quali, ad una data temperatura vale la seguente cosa: la differenza di potenziale e l’intensità di corrente sono direttamente proporzionali

Dipende dalle caratteristiche del conduttore

un conduttore ha la resistenza di 1Ω se è attraversato da 1A quando nei suoi capi esiste la diff. di pot. 1V

Il simbolo della resistenza elettrica è il seguente: L’utilizzatore viene chiamato RESISTORE ed è il componente elettrico che inseriamo nel circuito.

Ohm scoprì che un cavo metallico percorso da corrente elettrica, di lunghezza  e sezione  , avrà una resistenza che si può calcolare così: La R del cavo aumenta all’aumento di “ “. Se aumenta “A” la R diminuisce. Se la ρ è alta la R è alta, se la ρ è bassa, allora R è bassa oltre che a dipendere dal materiale, dipende anche dalla temperatura in cui si trova il conduttore. la RESISTIVITA (in un ampio intervallo di temperatura da 100K alla temp. di fusione) dipende dalla temperatura secondo la seguente legge: → la resistività di una data temperatura è uguale alla ρ a 273 modificato a 1 + Più scaldo un fil di rame, più la sua resistenza aumenta. Questo perhè aumenta l’agitazione termica della molecola.

La RESISTIVITA di un metallo è dovuta agli urti tra gli elettroni di conduzione (che si muovono) e gli ioni (atomi che hanno perso elettroni) della struttura. All’aumentare della temperatura, aumenta l’oscillazione degli ioni e di conseguenza aumentano gli urti.

Quando un resistore è attaccato alla corrente elettrica si crea l’effetto Joule. Gli elettroni urtano gli ioni cedendo parte della loro energia cinetica. L’energia cinetica acquisita dagli ioni del metallo si manifesta in un incremento della temperatura del metallo stesso (tostapane). Quindi un conduttore percorso da corrente si riscalda, ovvero disperde calore nell’ambiente. La trasformazione di energia elettrica in calore, si chiama quindi Effetto Joule. che ci permette di determinare l’energia persa sottoforma di calore. In un conduttore Ohmnico di resistenza R, l’energia dissipata in un certo intervallo di tempo sottoforma di calore per effetto Joule, è uguale a

È un insieme di conduttori connessi in modo continuo collegati ad un generatore

passa corrente

non passa corrente La corrente potrebbe anche non passare a causa di un danno al conduttore Più conduttori collegati in serie se sono posti in successione tra loro → per ogni lampadina passa la stessa quantità d’energia Es. lucine dell’albero di Natale Se si brucia una, il circuito si apre e non funziona più

Più conduttori sono collegati in parallelo se hanno le prime estremità connesse tra loro e anche i secondi estremi connessi tra loro → non tutti gli utilizzatori sono attraversati dalla stessa corrente ma sono sottoposti alla stessa differenza di pot., ovvero quella del generatore

misurare la differenza di potenziale misurare l’intensità di corrente

All’aumentare delle resistenze poste in serie, aumenta la resistenza equivalente. Più resistenze in serie ho, più l’intensità di corrente cala.

Δv = R · I

All’aumentare delle resistenze in parallelo, la resistenza equivalente diminuisce.

I=

ΔV R→0

∞

È uguale al rapporto tra il lavoro che il generatore compie su una carica  (positiva) per trasportarla da un punto a potenziale minore a un punto a potenziale maggiore e la carica stessa.

Fenomeni magnetici naturali → magnetite → minerale naturale che ha la proprietà di attirare a sè oggetti di ferro artificiale Calamita → la barretta di acciaio non sarebbe un magnete ma, opportunamente magnetizzata, è in grado di attirare a sè pezzi di ferro

Ogni magnete ha un 

e un 

A seconda della forma del magnete, cambia il campo magnetico. Poli dello stesso tipo si respingono , poli di diverso segno si attraggono I poli magnetici non sono separabili Se taglio una calamita in due, si ottengono due calamite più piccole, entrambe con  e 

I magneti attirano solo ferro (e pochi altri materiali), un corpo elettrizzato attrae invece piccoli corpi di differenti sostanze Ogni materiale esercita una forza su un altro magnete quindi ogni magnete genera nello spazio circostante un campo magnetico, sede di forze magnetiche. Un c.m. è descrivibile tramite il vettore campo magnetico, rappresentato da  , o tramite le linee di campo.

Andiamo ad esplorare il campo  magnetico con un ago magnetco (magnete di prova). L’ago magnetico ruota fino a disporsi lungo la direzione NORD-SUD, in modo tale che l’estremo dell’ago che punta verso NORD della terra sia magnetizzato a SUD

Con questo ago magnetico esploriamo il campo (della terra o generato da un altro magnete)

La direzione del vettore  campo magnetico che stiamo studiando, è dato dalla retta che unisce i poli NORD-SUD del magnete di prova Se lo appoggio si dispone in modo tale che corrisponda con N e S e che ci dia la direzione del campo magnetico

Il verso è il verso che va dal POLO NORD al POLO SUD.

Per rappresentare  limatura di ferro.

attraverso le linee di campo possiamo utilizzare diversi aghi magnetici o della

La linea di campo in ogni suo punto è tangente alla direzione del vettore campo magnetico. Queste linee escono dal POLO NORD e rientrano nel POLO SUD. Le linee di campo magnetico sono CHIUSE

Un filo, percorso da corrente, genera un campo magnetico. In particolare si osserva che le sue linee di campo sono delle circonferenze circolari intorno al filo, e il verso del cavo lo ricavo con la regola della mano destra.

Un filo percorso da corrente, immerso in un campo magnetico generato da un altro corpo, subisce una forza.

Due fili conduttori, rettilinei e paralleli percorsi da corrente, si attraggono se il verso della corrente è lo stesso, si respingono se percorsi da correnti con verso opposto. Per capirlo dobbiamo pensare alle altre due esperienze:...