Fisica · Unità 6 1.2 CFU

1. Carica elettrica e interazioni

La carica elettrica è una proprietà fondamentale della materia. Si misura in coulomb (C).

• Proprietà fondamentali:
  • Due tipi: positiva (+) e negativa (−).
  • Cariche opposte si attraggono, cariche uguali si respingono.
  • La carica si conserva (non si crea né distrugge).
  • La carica è quantizzata: la carica elementare è e = 1,6 × 10⁻¹⁹ C.
• Legge di Coulomb: forza tra due cariche puntiformi.
F = k · |q₁·q₂| / r²
• k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C² (costante di Coulomb).
• ε₀ = 8,85 × 10⁻¹² C²/(N·m²) (costante dielettrica del vuoto), k = 1/(4πε₀).

2. Campo elettrico

Il campo elettrico (E) è una grandezza vettoriale che descrive l'influenza di una carica su altre cariche.

• Definizione: E = F/q (forza per unità di carica).
• Unità di misura: N/C o V/m.
• Campo generato da una carica puntiforme: E = k·q/r² (diretto radialmente).
• Rappresentazione: linee di campo (escono da cariche positive, entrano in cariche negative).
• Moto di una carica in un campo uniforme: accelerazione costante (a = qE/m).

3. Energia e potenziale elettrico

• Energia potenziale elettrica: U = k·q₁·q₂/r (per due cariche).
• Potenziale elettrico (V): energia potenziale per unità di carica: V = U/q.
• Differenza di potenziale (d.d.p.): ΔV = V_B - V_A = -E·d (per campo uniforme).
• Conservazione dell'energia: per una carica in movimento, E_tot = E_c + U = costante.

4. Conduttori e dielettrici

• Conduttori: materiali che permettono il movimento delle cariche (es. metalli).
• Induzione elettrostatica: separazione di cariche in un conduttore per effetto di una carica esterna.
• Dielettrici (isolanti): materiali che non conducono corrente (es. vetro, plastica).
• Polarizzazione: in un dielettrico, le cariche si riorientano in presenza di un campo elettrico.

5. Corrente elettrica

• Corrente elettrica (I): flusso di carica nell'unità di tempo: I = Δq/Δt (A, ampere).
• Generatore ideale: mantiene una differenza di potenziale costante (es. batteria).
• Legge di Ohm: per un conduttore ohmico, V = R·I.
• Resistenza (R): R = ρ·L/A (ρ = resistività del materiale).
• Potenza elettrica: P = V·I = I²·R = V²/R (effetto Joule).
• Combinazione di resistenze:
  • In serie: R_tot = R₁ + R₂ + ...
  • In parallelo: 1/R_tot = 1/R₁ + 1/R₂ + ...

6. Capacità e condensatori

• Capacità (C): C = Q/V (F, farad).
• Condensatore piano: C = ε₀·A/d (senza dielettrico).
• Con dielettrico: C = ε·A/d = ε_r·ε₀·A/d (ε_r = costante dielettrica relativa).
• Energia immagazzinata: U = ½·C·V² = ½·Q·V = Q²/(2C).
• Combinazione di condensatori:
  • In serie: 1/C_tot = 1/C₁ + 1/C₂ + ...
  • In parallelo: C_tot = C₁ + C₂ + ...

7. Campo magnetico

• Origine: il campo magnetico (B) è generato da cariche in movimento (correnti).
• Esperimento di Oerstedt: una corrente elettrica devia un ago magnetico.
• Forza di Lorentz: F = q·(v × B) (su una carica in moto).
• Forza su un filo percorso da corrente: F = I·L × B.
• Moto circolare: in un campo magnetico uniforme, una carica si muove di moto circolare uniforme (r = mv/(qB)).

8. Induzione elettromagnetica

• Flusso magnetico (Φ): Φ = B·A·cos(θ) (Wb, weber).
• Legge di Faraday-Neumann-Lenz: la variazione del flusso magnetico induce una forza elettromotrice (f.e.m.).
f.e.m. = -dΦ/dt
• Il segno negativo (legge di Lenz) indica che la corrente indotta si oppone alla variazione del flusso.