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La maggior parte dei fenomeni fisici che si verificano attorno a noi sono dovuti a forze elettromagnetiche:
forze tra atomi e molecole forze chimiche vita ! forze d’attrito forze di resistenza viscosa forze elastiche e di coesione forze legate al magnetismo terrestre luce è onda elettromagnetica
La tecnologia moderna è basata più del 99% sull’ elettromagnetismo !!
Cenni Storici
Tutti i fenomeni che avvengono su scale superiori alle dimensioni del nucleo atomico sono
alcuni natura gravitazionalegrandissima parte natura elettromagnetica
Lezione 1: Elettricita` e legge di Coulomb
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La natura elettromagnetica dei fenomeni non appare a prima vista ed è rimasta ignota fino a 2 secoli fa:
forza elettrica: attrattiva e repulsivamateria: cariche negative e positive esattamente uguali
il mondo dell’elettromagnetismo è stato
completamente scoperto dall’indagine scientifica
XVI secolo: prime osservazioni sistematiche di fenomeni
elettrici e magnetici;
…. : Coulomb, Galvani, Volta, Oersted, Ampère, Faraday
1865: equazioni di J.K. Maxwell
teoria completa dell’elettromagnetismo classico
relativisticamente corretto
descrizione del mondo macroscopico
XX secolo: R.P. Feyman, J. Shwinger e Tamanaga elettromagnetismo quantistico:
spiega i fenomeni su scala atomica e inferiore,
interazione tra particelle cariche e campo em.
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La carica elettrica
Fatti sperimentali:
esiste carica positiva e negativacariche dello stesso tipo si respingono,
di tipo diverso si attraggono
elettroscopioa foglie:misura relativadella carica elettrica
attrazione repulsione
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3 costituenti elementari: protone neutrone elettrone
massa: mp mn 1.67 10-27 kg
me 9.11 10-31 kg 1/1836 mp
dimensioni:
de 4 10-18 m = 4 am (puntiformi)
dp dn 10-15 m = fermi (formati da quark)
dq 0.2 10-18 m
carica elementare (più piccola carica libera):
qe qp = 1.602 10-19 C
qn 0
materia: numero enorme di costituenti elementari carichi globalmente neutra
Struttura elettrica della materia
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Misura della Carica Elementare(R. Millikan 1910)
+
-E
q = nqe n = 0,1, 2, 3,…
qe= 1.602 10-19 C
goccioline d’oliocariche per sfregamento
con il nebulizzatore
vaga
FFF StokesAg
6)'(3
4 3
E = 0
'6)'(3
4
)(
3 vagaqE
FFFF StokesAgE
E 0
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Conservazione della carica
non è possibile creare o distruggere carica elettrica ( il valore totale deve rimanere invariante)
posso solo fare trasferimenti di cariche tra corpi
annichilazione e- + e+ 2 massa energia (E=mc2) carica conservata
decadimenti radioattivi 238
92U 23490Th + 4
2He
reazioni nucleari 44
20Ca + p 4421Sc + n
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La legge di Coulomb(1785)
Bilancia a torsione
lF kM
221
r
qqF
Validita`:cariche puntiformifermenel vuoto
esperimento delicato e difficile: poca precisione ( qualche %); non convince che esponente sia 2 e non 2.01
validità della legge è stabilita con precisioneindirettamente, per le sue conseguenze.
equilibrio dei momenti delle forze
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Bilancia di torsione di Coulomb(Accademia delle Scienze francesi, 1785)
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Costante di proporzionalità non può essere direttamente determinata dall’esperimento di Coulomb
dipende da :
mezzo in cui sono immerse le caricheunità di misura della carica elettrica
Esempio:vuoto k 1carica unitaria carica che posta a distanza
unitaria da carica uguale la respinge con forza unitaria
carica unitaria dipende da unità meccaniche
1 Coulomb = 1 Ampere 1 sec.
grandezza elettrica indipendente
2
29
0
1094
1
C
Nmk
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ur
qqF
221
012 4
1
Forza che q1 esercita su q2
Sperimentalmente: principio di azione e reazione
non è soddisfatto da tutte le forze
(è violato da cariche in movimento)
2112 FF
q1
q2
q1
q2
F21
F12
F21
F12
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i
i
i
i
ii u
r
qqFF 2
00 4
1
Principio di sovrapposizione(principio di indipendenza delle forze simultanee)
risultato sperimentale conferma carattere vettoriale
legge di Coulomb
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Forza di Coulomb è conservativa
il lavoro fatto per spostare una carica q in presenza di una carica q0
non dipende dal percorso ma solo dal punto iniziale e finale.
210
0
2
12
0
0
2
12
0
0
2
1
11
4
4
4
rr
r
drqq
dsr
uqq
dsFL
r
tutte le forze centrali sono conservative
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Confronto Coulomb-Newton
ur
qqFE 2
21
04
1
ur
mmGFG 2
21
attrattiva o repulsiva
2
29
0
1094
1
C
Nmk
solo attrattiva
2
2111067.6kg
NmG
GE FF
392
0
10)4(
1
)(
)(
pe
e
G
E
mm
q
GepF
epF
esempio: forze elettrone-protone
Possibilità di osservare forze gravitazionali:
mescolamento cariche positive e negative esatta equaglianza fra esse
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2000102
)106.4(1094
7
229
0
2
N
qFE
per assurdo:qp = 1.000000001 qe
= qe + 10-9qe
Calcolare FE con cui si respingono due sfere di ferro di 1 kg alla distanza di 1 m.
Fe : 26 elettroni
26 protoni A = 55 29 neutroni
1 mole = 55 grNA = 6.02 1023 atomi
in ciascuna sfera:
# atomi = (1000/55) NA = 1.1 1025
# elettroni = 2.8 1026
carica sfera:
q = 2.8 1026 qe 10-9 = 4.6 10-2 C
tonnellate !!
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Carica necessaria per sollevare una piramide
33
3
10
3
1mhAV
33
31055
m
kg
dm
kg
V
m
kgVm 9103
5
NgmFG1010
3
5
2
2
04
1
r
qFE
GE FF
CoulombNrQ 5.0103
5)4( 102
0
(in una lampadina: 100Watt 0.5A, 1A = 1C/sec)
100 m
100
m
1 m