FISICA

Elettricit o elettrizzazione:

uno stato particolare della materia e possiede tanti tipi diversi di Propriet.Lelettricit definita come una grandezza che caratterizza lo stato della materia.

Le Propriet si manifestano in modo pratico:

un corpo elettrizzato attrae a s corpi pi piccoli e pi leggeri del corpo stesso, ci si spiega facendo riferimento alla struttura atomica del corpo.

Questa propriet era gi stata studiata nellantichit tramite delle bacchette di ambra. Oggi dimostrato strofinando una bacchetta di vetro e plastica con un panno di lana: attrae a s altri piccoli corpi.

Se prendiamo 2bacchette di vetro e plastica e strofiniamo poi con un panno di lana un estremo di una bacchetta sospesa e lestremit dellaltra che teniamo in mano osserviamo che: se le bacchette sono detto stesso materiale gli estremi elettrizzati si respingono, se invece sono di materiali diversi si attraggono.

Questo modo pratico giustificato dalla teoria atomica della sostanza: avviene una rottura dellequilibrio elettrico di tale sostanza.

Un corpo positivo quando ha un eccesso di cariche positive, un corpo negativo quando ha un eccesso di cariche negative, allo stato neutro il numero di protoni (+) uguale al numero di elettroni (-) ( Atomo neutro, tramite lelettrizzazione gli elettroni nelle orbite esterne si staccano e gli atomi hanno o meno e- (difetto) o pi e+ (eccesso).Esistono 3 modi diversi per elettrizzare una sostanza:

1. Tramite Strofinio : si produce attrito, energia/calore

2. Tramite Contatto : mettendo a contatto 2 corpi, uno elettrizzato e laltro no.

Propriet: si elettrizza il secondo corpo dello stesso segno del corpo elettrizzato, grazie a questa propriet si basa la costruzione di alcuni strumenti come lelettroscopio.

3. Tramite Induzione : serve per elettrizzare un corpo di segno opposto, ci funziona bene quando ci sono 2 corpi in cui le cariche sono facilmente orientabili, si prende un corpo neutro e si avvicina ad un corpo elettrizzato.

A B Avvicinando il corpo A elettrizzato positivamente a un corpo B neutro si separano le cariche, si dividono in una fila di solo elettrizzate positive e una di sole elettrizzate negative.

Lelettrizzazione di un corpo dipende dalla sua capacit di perdere o acquistare elettroni (buoni conduttori o isolanti).

Quando ci sono delle cariche che interagiscono ci sono delle forze ( forze di interazione (naturale) : Coulomb

Poich ci devono essere 2 corpi che interagiscono la definiamo partendo da due cariche :

F = K0 (Q1Q2)/ d2dove Q sono le cariche che interagiscono tra di loro, K la costante di proporzionalit nel vuoto e d2 la distanza tra le cariche.

Questa formula stabilisce una proporzionalit diretta tra F e Q1Q2 (prodotto delle cariche) e una proporzionalit inversa tra F e d2, questa la formula generica, la forza non distinta tra attrattiva e repulsiva, ci dipende poi dalla K ( legandola ad una costante precisa: la costante dielettrica :

Definita nel vuoto

In relazione al mezzo costante assoluta

Le cariche devono essere ferme o puntiformi perch abbiamo bisogno di una distanza fissa.

Il valore di K

Nel vuoto: . definisce se le forze sono attrattive (-) o repulsive (+)

4 : per semplificazione il corpo viene preso in forma sferica0 : costante dielettrica nel vuoto

La formula F = (Q1Q2)/ d2esprime la forza di attrazione o repulsione delle

cariche nel vuoto

In relazione al mezzo:

Q1 Fm Q2(F0 / Fm) = rr : costante dielettrica relativa al mezzo

Fm = (F0 / r) ( Fm = . (Q1Q2)/ d2 ( Fm = (Q1Q2)/ d2 = costante dielettrica assoluta (pura) ( 0 r Lo strumento che viene utilizzato per calcolare se un corpo elettrizzato o no lelettroscopio.La Forza vettoriale, queste formule danno il modulo, la direzione viene data dai due punti delle cariche, mentre il verso stabilito dal fatto che sia attrattiva o repulsiva.

Q1

Q2

Q1

Q2

LElettroscopio: Lelettroscopio ci dice se lelettrizzazione < o > in un corpo, ma non se la carica + o

Viene usato tramite lelettrizzazione per contatto.

Si presenta come un contenitore di vetro chiuso con

il vuoto dentro, presente unasta di metallo

( buon conduttore), con due foglioline doro al fondo.

In condizioni normali le 2 lamine in oro sono

Vicinissime, quando il corpo in contatto con

Il pomello lasta prende il movimento delle cariche

e le trasmette alle foglioline doro che si allontanano perch si elettrizzano, o dando e+ o

ricevendo e-.

Le due foglioline elettrizzandosi dello stesso segno si respingono e si allontanano tanto pi quanto maggiore la loro carica elettrica.

Il Campo Elettrico.

una propriet che acquista lo spazio.Q = Cariche Generatrice

Lo spazio influenzato dalla carica, subisce delle modifiche e diventa campo elettrico, ci possibile semplicemente con la presenza di una carica generatrice.

Il campo non ha mai dei limiti definiti, per studiarlo si deve cercare un modo per vedere le sue caratteristiche ( per farlo si usa una Carica di prova o Campione (q), essa piccola perch non deve a sua volta generare un campo elettrico.

Tra le due cariche agisce la forza di Coulomb, che determina landamento del campo elettrico, ovvero dove la forza > o VB

Essendo il moto della corrente elettrica un moto ordinato si pu sempre sapere quante cariche passano in una determinata sezione in un dato intervallo di tempo.Si definisce Intensit di Corrente () il rapporto tra la quantit delle cariche che attraversa la sezione trasversale di un conduttore in un intervallo di tempo e questo stesso intervallo di tempo.

i = intensit di corrente

Q = variazione delle cariche

t = variazione di tempo

Lintensit di Corrente una grandezza scalare misurata in Ampere.

La corrente elettrica pu cambiare da istante a istante.

Quando la sua intensit si mantiene costante nel tempo si definisce la Corrente Continua, in cui esiste un rapporto di proporzionalit diretto tra la variazione delle cariche e lintervallo di tempo.Quando invece la sua intensit non si mantiene costante nel tempo si definisce la Corrente Non Continua, in cui non vale il rapporto di Proporzionalit diretta e in base allintervallo di tempo che viene preso in considerazione la quantit di cariche differente, su questo tipo di corrente stata definita la Corrente Elettrica.

La Corrente Elettrica viene considerata allinterno dei circuiti e per far funzionare determinati dispositivi collegati a questi circuiti.

La corrente quando entra allinterno di questo dispositivo incontra una certa difficolt di movimento poich passa attraverso al circuito qualcosa che usa lenergia che le cariche trasportano, oppure il materiale tra il dispositivo e il filo diverso, oppure una parte di energia viene assorbita.

Le acriche che passano attraverso il dispositivo incontrano un certo attrito detto:

Resistenza, ovvero la difficolt delle cariche a scorrere allinterno di un materiale.

La Resistenza esiste anche nel circuito senza alcun dispositivo collegato ma questa Resistenza Interno trascurabile, la Resistenza difinita in fisica quella esterna, cio quella che entra in azione usando una macchina utilizzatrice.La Resistenza dal punto di vista fisico definita secondo 2leggi ricavate in maniera sperimentale, dette di Ohm.

Premettendo che = costante si inserisce una macchina utilizzatrice e si fa variare lintensit di potenziale per osservare cosa fa lintensit di corrente, ricavandomi che = costante, dopodich si toglie la macchina e si sostituisce con unaltra facendo variare la differenza di Potenziale osservando nuovamente lintensit di corrente, ottengo che = costante, infatti il rapporto rimane costante ma il calcolo varia in base al dispositivo usato.

Quindi rappresenta la Resistenza dal punto di vista fisico secondo la Prima Legge di Ohm che definisce la R generica allinterno di un circuito, la R il rapporto tra la differenza di Potenziale e lintensit di corrente. Questo rapporto stabilisce una Proporzionalit diretta.Infatti la R esprime un rapporto di causa effetto tra la differenza di Potenziale (Causa) e lintensit di corrente (effetto).

In ogni circuito esiste una Resistenza specifica espressa usando le grandezze specifiche del circuito:

l = lunghezza filo conduttore

s = sezione del filo conduttore con cui stato costruito il circuito

= Resistilit legata al materiale con cui fatto il filo consuttore

Questa formula esprime la Seconda Legge di Ohm, maggiore la lunghezza del circuito maggiore la R, esiste una Proporzionalit diretta tra la R e il filo conduttore, inversa tra la R e la sezione.

=

La R permette di distinguere i materiali in conduttori o isolanti o super o semi conduttori.

Con un buon conduttore il movimento delle cariche facilita la R

Con un isolante il movimento delle cariche impedisce la R

I conduttori presentano una R bassa, al contrario gli isolanti alta.

SuperConduttori e SemiConduttori : facilitano il passaggio di corrente.

I Semi sono pi facilmente ottenibili, i Super hanno un passaggio di corrente che dura parecchio con una sola differenza di Potenziale iniziale.I Super sono sostanze in cui la R si abbassa tantissimo favorendo il passaggio di corrente portando il materiale ad una certa temperatura critica. Se abbasso la temperatura si abbassa la R poich alzando la Temperatura non ho pi un moto ordinato;

I Semi sono generalmente corpi solidi ed hanno la struttura atomica a met tra gli isolanti e i conduttori, ma aumentando la Temperatura si trasformano in buoni conduttori.

Le R inserite nei circuiti sono cilindri di colori diversi che danno lintensit della R.

Arancione = decimale, altro colore = unit

Collegamenti in serie o in parallelo:

1. In serie : Lintensit di corrente si mantiene costante perch il filo conduttore uno unico, la differenza di potenziale definita sugli estremi che vengono messi a contatto. Differenza di Potenziale aumenta e aumenta anche la R.R = R1 + R2 + R3

2. In parallelo: La differenza di Potenziale sempre uguale, lintensit di corrente diminuisce e di conseguenza la R si abbassa.

Tra la R e la Differenza di Potenziale esiste una proporzionalit diretta, al contrario tra la R e l intensit di corrente esiste una proporzionalit inversa.

DIMOSTRAZIONE:

1. In serie :

R1 =

R2 =

R3 = R = + + = = La R dipende solo ed esclusivamente dalla Differenza di Potenziale agli estremi del collegamento.

2. In parallelo:

AAIIAIII;BBIIBIII

R = ( ; ;

= + + = = ( Il modo in cui lintensit si ripartisce inversamente proporzionale alla R.

1. In parallelo:

Lintensit arriva nel punto A e si divide in i1 e i2.

VA VB = R1 i1

R1 i1 = R2 i2(R1 : R2 = i2 : i1

VA VB = R2 i2

A e B sono detti NODI, essendo i punti di congiunzione.

Il Cammino chiuso che la corrente compie che torna al punto di partenza detto MAGLIA.

A riguardo dei nodi e delle maglie valgono i Principi di Kirchoff:

1. Tutte le correnti entranti in un nodo sono uguali alla somma di quelle uscenti in un altro nodo

2. In una qualunque maglia la somma algebrica della differenza di potenziale uguale 0.

La R legata allEnergia elettrica che intesa come Energia interna in un generatore che si usa per spostare le cariche, viene per usata come En. Esterna e viene misurata come Lavoro:

L = Q VQ = i t

V = R iL = i t R i ( L = i2 R t

R e t sono le due variabili.

Lenergia elettrica viene messa in relazione alla Potenza Elettrica (watt) ( P = P = = i2 R = i2 = i V

Questo un alro modo per esprimere la Potenza Elettrica.

LEffeto Joule:

un particolare effetto che capita alla cariche che scorrono in un circuito.

Quando un corpo sviluppa una certa forma di attrito, in fisica, definito come calore, quindi anche le cariche, incontrando attrito creano calore, questo semplicemente lEffetto Joule.

La Legge di Joule dice che quando le cariche incontrano attrito si genera calore, essa stata ricavata sperimentalmente ed ha permesso di esprimere la quantit di calore che si sviluppa.

Si studia attraverso un contentitore con allinterno un liquido, allinterno di questo recipiente inserita una Resistenza detta Reostato che ha la particolarit di poter essere variabile.

Vengono inseriti dei generatori di corrente e lAmperometro (A) che misura la corrente che passa e un termometro per misurare la variazione di Temperatura.

Resistenza, intensit, tempo sono le grandezze prese in considerazione, considerato che in fisica impossibile far variare tre grandezze insieme si fanno variare a coppie mantenendone una costante.

R ( i,t

t ( R, i

i ( R, t

T ( Variazione di TemperaturaQuando le cariche passano attraverso la R incontrano una difficolt, quindi attrito e quindi calore, infatti ci provoca un innalzamento della temperatura del fluido.T = K R i2 t

K una costante per esprimere una proporzionalit diretta

La variazione di temperatura direttamente proporzionale alla R, alla i2 e al tempo.

Q = m T

Questa formula lega la variazione di temperatura con la quantit di calore prodotto (Q).Q = m K R i2 t

m una costante che esprime la massa del sistema considerato

K1 = m K

La formula viene quindi cos riscritta:

Q = K1 R i2 tIl Potere di Estrazione dei Metalli:Il passaggio di corrente nei solidi legato agli elettroni che si staccano, questi solidi possono avere pi o meno facilit di perdere gli elettroni (buoni conduttori, isolanti,), questa facilit o meno di perdere elettroni il potere di estrazione dei metalli.

Esistono tre modi in cui si pu, artificialmente, aumentare questo potere di estrazione dei metalli:

Effetto Termoionico

Effetto Fotoelettrico

Effetto Termoelettrico

Inoltre esiste lEffetto Volta che tuttativa un effetto naturale, non provocato come i precedenti.

LEffetto Termoionico consiste nello scaldare gli estremi di un circuito o i suoi punti di congiunzione;

Scaldando uno dei due estremi ( ) o uno dei punti di congiunzione ( ), fornisco energia agli elettroni sufficiente per staccarsi, questo procedimento permette una maggiore disponibilit di cariche.

LEffetto Fotoelettrico funziona nel medesimo modo di quello Termoionico, con la differenza che gli estremi o i punti di congiunzione del circuito vengono colpiti da una radiazione luminosa.

LEffetto Termoelettrico funziona anchesso nello stesso modo, scaldando i punti di congiunzione o gli estremi, con la differenza che i fili sono di materiali diversi.

La maggior parte dei metalli messi a contatto hanno uno scambio di elettroni, leffetto termoelettrico favorisce questo scambio, che altrimenti avverrebbe pi lentamente grazie allEffetto Volta.LEffetto Volta non si verifica con tutti i metalli, per alcuni pi significativo, per altri praticamente nullo.

Rame e Zinco sono stati i primi metalli messi a contatto da Volta che ha notato la particolarit di poter creare una differenza di potenziale mettendo a contatto metalli avente un potere di estrazione differente.

Mettendoli a contatto avviene uno scambio di elettroni da chi ha pi potere di estrazione a chi ne ha di meno.

inoltre possibile collegare a coppie dei materiali (es. Ra-Zn,Ra-Zn,Ra-ZnRa-Zn) con la condizione che il primo e lultimo siano differenti per creare una buona differenza di potenziale, che non viene condizionata dalle coppie intermedie di metalli.

Il Passaggio di Corrente nei Liquidi

Nei liquidi esiste un passaggio di corrente come accade per i solidi, con la differenza che le cariche in movimento sono IONI, e non elettroni di conduzione, poich i liquidi di per s sono isolanti.

Qualunque liquido non abbia disciolte allinterno alcune sostanze un isolante, tramite queste sostanze il liquido diventa un buon conduttore.

Si verifica un passaggio di correte nei liquidi introducendo delle sostanze definite elettrolitiche come Acidi, Basi o Sali.

Grazie a queste sostanze allinterno del liquido si genera una differenza di potenziale che permette il passaggio di corrente.

La differenza di potenziale viene creata introducendo allinterno del liquido 2piastre elettrizzate di segno opposto (elettrodi)Lelettrizzazzione di segno contrario viene fatta grazie ad un generatore.

La piastra elettrizzata si segno negativo si chiama Catodo (C-) ;La piastra elettrizzata di segno positivo si chiama Anodo (A+).

Questo esperimento stato fatto e studiato usando come liquido dellacqua distillata.A ( AmperometroSi partiti da un liquido che non aveva cariche al suo interno (es. lacqua distillata), poi si modificato introducendo delle sostanze elettrolitiche, questo procedimento stato poi eseguito con altri tipi di liquido.

Dallo studio si notato che lAmperometro segnalava un passaggio di corrente solamente quando allinterno del liquido si trovavano queste sostanze.

Gli Acidi, le Basi e i Sali generano le cariche e la presenza dei 2elettrodi (Anodo e Catodo) causa il loro movimento.

Una diversit sostanziale rispetto ai solidi il doppio movimento poich gli Ioni sono tanto positivi quanto negativi, e gli elettrodi attirano Ioni di segno contrario.

Verso lAnodo andranno le cariche -, verso il Catodo andranno le cariche +.

Anche nei liquidi, come nei solidi, il movimento si presenta ordinato.

Le molecole delle sostanze elettrolitiche sono formate da due atomi che si combinano grazie ad un legame Ionico che si definisce come un legame particolare che si crea quando c uno scambio di elettroni.Le molecole rimangono neutre, la particolarit che questo legame non del tutto stabile, infatti basta una minima solleccitazione perch i due atomi si riallontanino mantenedo la struttura che avevano da legati.

Legame Ionico: lattrazione che si stabilisce tra gli Ioni per effetto delle cariche elettriche di segno opposto.

Le molecole dacqua si intromettono in questi legami, interrompendoli, in questo modo il legame si rompe e gli Ioni rimangono squilibrati.

Questi Ioni avranno un movimento, alcuni verso lAnodo, altri verso il Catodo.Il Passaggio di corrente nei liquidi detto Elettrolisi ed conseguenza di un processo chimico, il processo fisico si ha nelle fase successiva alla formazione delle cariche ovvero quando le cariche prendono movimento.

Processo chimico + Processo fisico = Differenza di Potenziale

Il Passaggio di corrente ha la particolarit di essere regolato dalla Prima Legge di Ohm, che stabilisce una proporzionalit diretta tra lintensit di corrente e la differenza di potenziale.

= costante

Nel Passaggio di corrente valgono due leggi studiate da Faraday, da cui prendono il nome.

Quando gli Ioni arrivano agli elettrodi si depositano su di essi, e si neutralizzano, ma ci non pu succedere poich il dispositivo collegato ad un generatore.Se i passaggio di corrente continua, il deposito diventa un deposito di massa (es. procedimento usato per la doratura degli oggetti).

Le leggi che regolano la massa sono legate al metodo usato, ovvero se nel contenitore viene disciolto un liquido per volta o pi liquidi.

1. Le masse che si depositano sugli elettrodi sono direttamente proporzionali allintensit di corrente che ha provocato il deposito.

Il deposito di cariche maggiore se aumenta lintensit. Al contario minore se essa diminuisce.

2. Nel caso le sostanze siano pi di una il deposito di massa che si deposita sugli elettrodi direttamente proporzionale agli equivalenti chimici di ogni singola sostanza.

LEquivalente chimico un valore numerico proprio di ogni sostanza ed ricavato dal rapporto tra peso atomico e valenza:

.

Il passaggio di corrente nei liquidi stato usato per caricare la Pila, ed definito per spiegare il suo funzionamento.

La Pila come un generatore di corrente che fornisce cariche attraverso un passaggio di corrente, ci possibile poich si verifica un accumulo di cariche da una parte e difetto dallaltra che rende possibile la differenza di potenziale.Quando la Pila viene collegata ad un filo conduttore avviene uno scambio di elettroni finch non si scarica e diventa neutra.

La Pila stata inventata usando queste nozioni da Alessandro Volta che costru la prima Pila di catene di Rame e Zinco per favorire, tramite lacido solforico, il passaggio delle cariche.Le Pile di adesso sono Zinco Carbone e sono costituite da due contenitori cilindrici (elettrodi), uno inteno (Zinco) e uno pi esterno (Carbone).

Lo Zinco una sostanza i cui atomi tendono a perdere facilmente gli elettroni, per gli elettroni che si staccano restano depositati sullelettrodo di Zinco mentre gli Ioni si muovono nella sostanza elettrolitica.

Questo passaggio avviene in modo spontaneo, non avviene allinfinto, il processo si blocca quando si raggiunge il Punto di Saturazione di grado Poitivo che il Massimo Grado di Elettrizzazione.

Nel carbone si verifica il contario, sul carbone restano gli ioni + e gli elettroni si disciolgono nella sostanza elettrolitica, fino a quando non si raggiunge il punto di Saturazione di grado Negativo.Quando si ricarica la Pila la corrente agisce su di essa facendo migrare da una parte allaltra Ioni ed elettroni.

A lungo andare tuttavia, anche con le Pile ricaricabili, non si riesce pi a mantenere la differenza di Potenziale e dalla Pila esce una sostanza ossidante (isolante) che fa da schermo tra i due elettrodi.- + - + - +

+++++

S3

E3

S2

E2

Q

E1

S1

d

q+

r

Q2

Q1

Mb

A

Ma

Q+

q+

B

Q4

Q3

Q1

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Q+

q+

A

A

Q+

VB

B

q+

q+

A

VA

Q+

S1

q+

Q+

B

A

-

-

-

-

-

-

-

-

+

+

+

+

+

+

+

+

C2

C1

B

A

VB

VA

C2

C1

VB

VA

B

A

VB

VA

R3

R2

R1

D E

B C

F

A

R1

R2

B

A

R3

R2

R1

D E

B C

F

A

AIII

A II

A

R3

R1

R2

BII

BIII

B

R1

i1

B

A

i2

R2

A

R

Oro

Rame

Argento

A

C-

A+

22