Riassunto Di Fisica 3a Liceo

7/25/2019 Riassunto Di Fisica 3a Liceo

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08.09.2005 RIASSUNTO DI FISICA 3aLICEO: ELETTROLOGIA 1

RIASSUNTO DI FISICA 3aLICEO

ELETTROLOGIA

1) CONCETTI FONDAMENTALI

Cariche elettriche: cariche elettriche dello stesso segno si respingono e caricheelettriche di segno opposto si attraggono.

Conduttore: materiale che permette il libero movimento delle cariche elettriche.

Isolante:materiale che non permette il libero movimento delle cariche elettriche.

Legge delle gravitazione universale di Newton: ogni corpo esercita una forzaattrattiva su un altro corpo e tale forza direttamente proporzionale al prodottodelle masse dei due corpi e inversamente proporzionale al quadrato della distanzache li separa. La forza centrale.

F = (G*m1*m2)/r2

, con G = 6.672 * 10-11

N*(m2

/kg2

)costante di gravitazione universale (1798)

Legge di Coulomb:due particelle (o cariche puntiformi), aventi cariche di moduloq1e q2e separate da una distanza r, si attraggono (o respingono) con una forza che direttamente proporzionale alle cariche delle due particelle e inversamenteproporzionale al quadrato della distanza che le separa. anchessa una forzacentrale.

Ciascuna particella esercita una forza F sullaltra. Le due forze formano una coppiadi azione-reazione. Se si respingono la forza diretta nel verso di allontanamento.Se si attraggono, la forza diretta nel verso di avvicinamento.

F = (k*q1*q2)/r2, con k = 1/(40) = 8.988 * 109N*(m2/C2)

costante di Coulomb

0(costante dielettrica del vuoto) =8.85 * 10-12

C2

/(m2

*N)


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Linee di forza: le linee di forza elettrica escono dalle cariche positive ed entranoin quelle negative.

Guscio sferico: un guscio sferico di carica uniforme attrae o respinge una

particella carica fuori dal guscio stesso come se tutte le cariche del guscio sfericofossero concentrate nel suo centro.

Un guscio sferico di carica uniforme non esercita alcuna forza elettrostatica suuna particella carica posta entro il guscio stesso.

Alcune propriet dei tre costituenti fondamentali dellatomo:

Particella Simbolo Carica Massaprotone p + 1.6021*10-19C 1.67265*10-27kgneutrone n nulla 1.67495*10-27kgelettrone e - 1.6021*10-19C 9.10953*10-31kg

2) CLASSIFICAZIONE DELLE FORZE:

Tutti i fenomeni fisici, sia a livello microscopico sia macroscopico, appaiono dominatida quattro forze fondamentali:

a) la forza elettromagnetica, responsabile del legame tra elettroni e nuclei atomici;essa dovuta alla carica elettrica ed alla base di gran parte dei fenomeni fisici,biologici e chimici;

b) la forza gravitazionale, che tiene in equilibrio i pianeti nelle loro orbite e chespiega la caduta dei corpi sulla Terra; essa dovuta alla massa dei corpi ed trascurabile a livello di particelle fondamentali, mentre rilevante nella meccanica deicorpi macroscopici;

c) la forza nucleare debole, responsabile del decadimento di certe particelle in altre,quale la trasformazione di un neutrone in un protone, allinterno di certi nuclei atomiciradioattivi, con emissione di un elettrone -;

d) la forza nucleare forte, che tiene legati i nuclei allinterno dei nuclei e ne regola leinterazioni.

Le quattro forze fondamentali hanno una diversa intensit: in una scala arbitraria cheattribuisce 1alla forza nucleare forte, la forza elettromagnetica ha intensit 10-2,quella nucleare debole intensit 10-13e quella gravitazionale intensit 10-39.


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Le forze nucleari hanno un raggio dazioneestremamente breve, nellordine di 10-15mla forza forte e 10-18m quella debole.

La forza nucleare forte:

La forza che regola struttura elettronica e propriet degli atomi la ben nota forzadi Coulomb. Per mantenere legati i nuclei per necessaria una forza attrattiva di tipocompletamente nuovo, che agisca fra protoni e neutroni, che sono i costituenti delnucleo.

Questa forza deve essere sufficientemente intensa per potere annullare larepulsione elettrostatica fra i protoni (che hanno tutti carica positiva) e da potermantenere entro il volume del nucleo i protoni e i neutroni.

Sperimentalmente si vede che questa interazione forte, come si usa chiamarla, lastessa fra due nucleoni qualsiasi, siano essi protoni o neutroni.

La interazione forte ha un piccolo raggio dazione. Questo significa che la forza diattrazione tra due nucleoni tende rapidamente a zero quando la distanza che lisepara diventa maggiore di un certo valore critico (3*10-15m).

A sua volta questo significa che, escludendo i nuclei pi leggeri, un dato nucleone pu

interagire solo con i nucleoni immediatamente vicini e non con tutti i nucleoni delnucleo.

La forza nucleare forte non diminuisce con 1/r2. Essa si differenzia dunque dallaforza gravitazionale e dalla forza di Coulomb.

Lenergia di legame per particella non aumenta con il numero di massa, comeavverrebbe nel caso di una forza a lungo raggio dazione. Gli esperimenti mostranopiuttosto che lenergia di legame per particella minore nei nuclei pi pesanti.

Ci dovuto alla repulsione elettrica: infatti ogni protone del nucleo viene respintoda tutti gli altri protoni, mentre solo le particelle nucleari immediatamente vicineesercitano le forze attrattive che producono il legame nucleare. Nei nuclei di maggioridimensioni la repulsione diventa pi rilevantee il protone risulta poco legato.

Per diminuire leffetto della repulsione coulombiana, i nuclei di elevato numeroatomico contengono numerosi neutroni. In questo modo aumenta la distanza fra iprotoni e diminuisce la repulsione elettrostatica.


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Le poche interazioni nucleari che legano una particella a quelle immediatamente vicineriescono a vincere fino a 100 repulsioni elettrostatiche.

Riassumendo:

a) Lesistenza della forza nucleare forte indipendente dalla natura del nucleone(neutrone o protone).

b) La forza nucleare forte ha un raggio dazione molto corto (fino a 3*10 -15m). Essa siesercita quindi a distanze molto ravvicinate, ma cade rapidamente a zero a distanzemaggiori del valore limite.

c) La forza nucleare forte non diminuisce con 1/r2.

d) La forza nucleare forte molto pi intensa di quella elettromagnetica e di quellacoulombiana.

e) La forza nucleare forte agisce solo tra nucleoni immediatamente vicini (distanzalimite), ma riesce a vincere fino a 100 repulsioni elettrostatiche.

3) CAMPI ELETTRICI:

Campo elettrico:la sorgente di un campo elettrico una carica elettrica. Il campoelettrico una zona dove si manifestano delle interazioni elettriche.

In ogni punto dello spazio il campo elettrico E definito dalla forza elettrostaticaF risentita da una carica di prova positiva q0posta in quel punto.

E = F/q0

Calcolo del campo elettrico:

Campo elettrico generato da una carica puntiforme:

E = (k*q)/r2

Campo elettrico generato da un guscio sferico uniformemente carico:

E = (k*Q)/r2

Campo elettrico generato da un disco carico (piano infinito):

E = Q/(20S) , con S = superficie del disco


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4) POTENZIALE ELETTRICO:

Definizione: lenergia potenziale per unit di carica in un punto di un campoelettrico viene chiamata potenziale elettrico V (o semplicemente potenziale) in

quel punto. In altre parole, in qualsiasi punto:V = U/q

La differenza di potenziale V fra due punti qualsiasi, iniziale e finale, in un campoelettrico uguale alla differenza di energia potenziale per unit di carica U fra idue punti:

V = Vf Vi= Uf/q Ui/q = U/q

La differenza di potenziale tra due punti lopposto del lavoro svolto da una forzaelettrostatica per spostare una carica unitaria da un punto allaltro.

V = Vf Vi= -L/q

Se si suppone che lenergia potenziale sia nulla allinfinito, anche il potenziale deveessere nullo allinfinito. Si pu allora definire il potenziale in un punto qualsiasi diun campo elettrico come:

V = -L/q (def. di potenziale)

dove L il lavoro svolto dal campo elettrico sulla carica di prova mentre questacarica si muove dallinfinito al punto considerato.

Lunit di misura del potenziale (nel SI) il Joule al Coulomb. Questa unit si usarappresentarla con un nome speciale, il Volt(abbreviato V). Per cui:

1 Volt = 1 J / 1 C

Questa unit ci permette di adottare unaltra unit di misura per il campo elettricoE:

1 N/C = 1 V/m

Un elettronvolt(eV) lenergia corrispondente al lavoro richiesto per spostare unacarica elementare e, come quella dellelettrone o del protone, attraverso unadifferenza di potenziale di 1V.

L = q* V = 1.60*10-19J


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Differenza tra potenziale elettrico ed energia potenziale elettrica:

Il potenziale elettrico una propriet del campo stesso, esistente sia che unoggetto carico si trovi o non si trovi in esso, ed misurato in Volt.

Lenergia potenziale elettrica lenergia di un oggetto carico sottoposto a uncampo elettrico esterno (o pi precisamente lenergia del sistema costituitodalloggetto e dal campo elettrico esterno); misurata in Joule.

Forza conservativa: una forza che mantiene la sua energia totale, cio lenergiacinetica viene trasformata integralmente in energia potenziale e viceversaindipendentemente dal tragitto.

Calcolo del potenziale elettrico:

Potenziale dovuto a una carica puntiforme:

V = (k*q)/r

Potenziale dovuto a un insieme di cariche puntiformi:

V = k* (q1/r + q2/r + + qn/r)

Energia potenziale elettrica in presenza di un sistema di cariche puntiformi:

U = k*(q1*q2)/r

Lenergia potenziale elettrica di un sistema di cariche puntiformi fisse uguale allavoro svolto da un agente esterno per portare il sistema nella configurazioneindicata, spostando ciascuna carica da una distanza infinita alla propria posizione.

5) CAPACIT ELETTRICA:

Condensatore: il condensatore un dispositivo capace di contenere dellenergiaelettrica (serbatoio di energia). caratterizzato sempre da una capacit elettrica.

Definizione: la carica elettrica q e la differenza di potenziale V di un condensatoresono proporzionali tra loro. Cio:

q = C * V ; C = q/V

La costante di proporzionalit C, il cui valore dipende dalla geometria dei piatti enon dalla carica o differenza di potenziale, chiamata capacit elettrica delcondensatore.


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Lunit di misura della capacit elettrica nel sistema SI il Coulomb al Volt, cheprende il nome di farad(F):

1 farad = 1F = 1C / 1V

Calcolo della capacit:

Condensatore piano:

C = (0*A)/d

Da questa formula si pu estrarre una nuova unit per la costante dielettrica delvuoto 0:

0= 8.85 * 10-12 C2/(N*m2) = 8.85*10-12F/m = 8.85 pF/m

Condensatore sferico:

C = 4**0*R

Energia potenziale elettrica U di un condensatore carico:

U = q2/(2*C) = 1/2*C*V2

Lenergia potenziale di un condensatore carico pu considerarsi come immagaz-

zinata nel campo elettrico tra i suoi piatti.

Densit di energia u (energia potenziale per unit di volume):

u = U/vol. = 1/2*0*E2

Condensatori in parallelo:

Definizione: si dice che i condensatori collegati sono in parallelo quando la

differenza di potenziale, applicata al loro insieme, la stessa differenza dipotenziale applicata a ognuno di essi.

Capacit equivalente di ncondensatori in parallelo:

Ceq= Ci (Qtot= Qi; V = costante)

Condensatori in serie:

Definizione: si dice che i condensatori sono collegati in serie quando la differenza

di potenziale applicata alla combinazione di condensatori la somma delledifferenze di potenziale presenti su ogni condensatore.


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Capacit equivalente di ncondensatori in serie:

1/Ceq= 1/Ci (Vtot= Vi; Q = costante)

6) URTI ELASTICI:

Definizione:gli urti elastici sono urti in cui conservata lenergia cinetica totale ela quantit di moto.

Equazioni:

m1v12+ m2v22 = m1v12+ m2v22 (1)m1v1 + m2v2 = m1v1 + m2v2 (2)

(1): principio della conservazione dellenergia cinetica(2): principio di conservazione della quantit di moto

Soluzione generale:

v1= (m1-m2)/(m1+m2) * v1 + (2*m2)/(m1+m2) * v2

v2= (m2-m1)/(m1+m2) * v2 + (2*m1)/(m1+m2) * v1

7) CORRENTE ELETTRICA:

Calcolo della corrente elettrica i:

i = q / t

dove q la quantit di carica positiva che passa in un tempo t attraverso unpiano immaginario che taglia trasversalmente il conduttore. La direzione quelladei portatori di carica positivi.

Unit di misura nel SI: 1C / 1s = 1 Ampre = 1A

Verso della corrente:il verso della corrente quello nel quale si muoverebbero lecariche positive, anche se gli effettivi portatori di carica sono negativi.

Densit di corrente J:J = i / Area


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Velocit di deriva dei portatori di carica:

J = (n*e)*vd

dove nrappresenta il numero di portatori di carica nellunit di volumen*e la densit di carica nellunit di volume (C/m3)

8) RESISTENZA ELETTRICA:

Definizione:

R = V/i

Unit di misura nel SI: 1 ohm = 1 = 1V / 1A

Resistore: un conduttore la cui funzione in un circuito quella di fornire unadata resistenza.

Resistivit di un materiale (definizione):

= E / J

Unit di misura nel SI: *m pronunciato ohm per metro

La resistenza una propriet di un oggetto; la resistivit una propriet di unmateriale.

Conducibilit elettrica (definizione):

= 1 / (il reciproco della resistivit)

Unit di misura nel SI: 1 Siemens / 1 m = S/m1 S = 1 / 1

Calcolo della resistenza nota la resistivit:

R = *L/A

dove A larea della sezione di un filo e Lla sua lunghezza

Dipendenza della resistivit dalla temperatura:

0 = 0* * (T T0)

Qui T0 una temperatura di riferimento scelta e 0 la resistivit a quellatemperatura. La quantit il coefficiente termico di resistivit. In genere conlaumento della temperatura aumenta la resistivit.


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Resistenze in parallelo:

Definizione:due o pi resistenze sono collegate in parallelo quando la differenza dipotenziale applicata alla combinazione di resistenze uguale a quella applicata a

ogni singola resistenza.

Resistenza equivalente di nresistenze in parallelo:

1/Req= 1/Ri

Resistenze in serie:

Definizione: due o pi resistenze sono collegate in serie se la differenza dipotenziale applicata agli estremi della combinazione di resistenze la somma delledifferenze di potenziale ai capi delle singole resistenze.

Resistenza equivalente di nresistenze in serie:

Req= Ri

La legge di Ohm:

La legge di Ohm asserisce che la corrente che scorre attraverso un dispositivo

sempre direttamente proporzionale alla differenza di potenziale applicata aldispositivo stesso.

Un dispositivo conduttore obbedisce alla legge di Ohm quando la sua resistenza indipendente dal valore e dalla polarit della differenza di potenziale applicata.

Potenza nei circuiti elettrici:

P = U / t = (q*V) /t = i * V (potenza trasferita)

Unit di misura nel SI: 1A * 1V = 1W

Dissipazione resistiva:

P = i2* R

oppure

P = V2/ R

trasformazione di energia elettrica in energia termica.


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9) I CIRCUITI:

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