FENOMENI ELETTROMAGNETICI

1. FENOMENI ELETTROMAGNETICI Richiami:Coulomb e Ohm Capacità elettrica Condensatore Corrente continua Campo magnetico Induzione elettromagnetica Induttanza Corrente alternata Trasformatore Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

2. Richiami sull’elettrostatica Carica elettrica: q  coulomb C  positiva o negativa  multipla di e=1.6•10-19 C  si conserva Forza di Coulomb: F = kq1q2/r2  attrattiva o repulsiva  k = 1/4pe0er, er=1 nel vuoto, >1 nella materia Campo elettrico: E = F/q  N/C  in generale: F=qE, conservativa Potenziale elettrico: V = L/q  volt V=J/C Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

3. Richiami sulla corrente elettrica Intensità di corrente: i = q/t ampere A=C/s  se c’è campo elettrico / diff.potenziale  moto elettroni in senso contrario 1a legge di Ohm: V = Ri 2a legge di Ohm: R = rl/S  resistenza R  ohm   resistività  •m,conducibilità s = 1/  dipende da temperatura  conduttori, semiconduttori, isolanti Potenza elettrica: W = L/t = qV/t = Vi = V2/R = i2R Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

4. Capacità elettrica Una carica Q fornita a un conduttore si distribuisce su tutta la superficie (massima distanza tra cariche uguali) che assume tutta lo stesso potenziale V (altrimenti le cariche si muoverebbero) Il rapporto tra la carica fornita a un conduttore e il potenziale che esso assume è costante. Capacità elettrica di un conduttore: C = Q/V Unità di misura: Farad 1 F = 1 Coulomb/Volt Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

5. Condensatore  Due conduttori (armature)  con carica +Q e –Quguale ed opposta  molto vicini tra loro a distanza d  separati da un isolante (dielettrico). Capacità del condensatore: C = Q/DV Tra le armature si crea una differenza di potenzialeDV un campo elettrico uniformeE = DV/d Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

6. Condensatore piano e cilindrico Capacità del condensatore: C = Q/DV Condensatore piano: C = e0er S/d Condensatore cilindrico: C = 2pe0er l r2/d Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

7. Circuiti elettrici Circuito “minimo” = generatore di tensione  el.attivo G + conduttore metallico  el.passivi R,C Generatore di tensione = qualunque (pila, dinamo, accumulatore,...) erogatore di forza elettromotrice • Il generatore cede energia (chimica, meccanica, • termica,...) L=qV agli elettroni del conduttore. • Questa energia viene poi rilasciata in forme diverse: • - energia termica (effetto Joule) nelle resistenze • energia diversa nei condensatori • energia luminosa, lavoro meccanico... Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

8. I condensatori nei circuiti elettrici Collegando le due armature di un condensatore a un generatore di tensione, si “prelevano” elettroni dall’armatura a V> e li si “spinge” verso l’armatura a V<. Risultato: accumulo di carica Q = C DV uguale e opposta sulle due armature, tanto maggiore quanto maggiore è la capacità C  erS/d. Variando opportunamente queste grandezze si può immagazzinare sul condensatore una “quantità di elettricità” arbitrariamente grande. Per “aggiungere carica” alle armature bisogna compiere lavoro contro la repulsione coulombiana tra le cariche già presenti. Questo lavoro durante la carica del condensatore è a spese dell’energia chimica del generatore di tensione, e durante la scarica viene restituito sotto forma di energia diversa (es. avviamento auto, flash). Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

9. Collegamenti di condensatori IN PARALLELO INSERIE stessa ddp – diversa carica stessa carica – diversa ddp ... il contrario delle resistenze!... Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

10. Magnetismo Quando ci sono cariche elettriche in moto campi elettrici variabili nel tempo si creano fenomeni magnetici. Due fili (circuiti) percorsi da corrente si attraggono se le correnti sono dirette nello stesso senso si respingono se le correnti sono dirette in senso opposto. ... due correnti elettriche ... ... come due masse ... ... come due cariche ... Forza di Laplace: m = m0mr = permeabilità magnetica Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

11. Campo magnetico Tra due fili percorsi da corrente si creano forze. ... come una massa ... come una carica ... Un filo percorso da corrente crea nello spazio circostante un campo di forze. Forza di Laplace: F = i l  B prodotto vettoriale B = vettore campo magnetico o induzione magnetica perpendicolare alla corrente diretto lungo linee chiuse circolari attorno al filo Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

12. Unità di misura del campo magnetico Forza di Laplace: F = i l  B B = F / i l Il tesla è un’unità troppo grande. Normalmente si usa ilgauss: 1 G = 10-4 T. Es. campo magnetico terrestre:  0.5 G campi magnetici generati dalle correnti dei segnali nervosi:  0.001 G Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

13. Magneti permanenti Le linee di forza del campo magnetico sono sempre chiuse su se stesse. Una calamita ha sempre 2 poli. Se la si spezza, i 2 poli si rigenerano. Non esiste (non si è mai trovato) il monopolo magnetico! Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

14. Il solenoide Un circuito percorso da corrente equivale a una calamita! Solenoide = avvolgimento di N spire circolari molto vicine Al suo interno B è uniforme: B = m i N / l Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

15. Induzione elettromagnetica Un circuito percorso da corrente genera un campo magnetico E VICEVERSA Un campo magnetico genera una corrente elettrica in un circuito • Quando: • un circuito viene deformato • un circuito viene messo in moto (es. fatto ruotare) • il campo magnetico varia nel tempo • nel circuito si crea una forza elettromotrice indotta • che dà origine a una corrente elettrica • per tutto il tempo in cui avvengono queste variazioni. Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

16. Corrente alternata Corrente elettrica alternata: i(t) = i0 sen(wt) periodica nel tempo Perché? facile da produrre per induzione e.m. facile da trasformare da bassa a alta ddp o viceversa Corrente di rete: Europa  50 Hz USA  60 Hz Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

17. Circuiti in corrente alternata i(t) = i0 sen(wt) V(t) = V0 sen(wt+f) sfasamento tra tensione e corrente Circuito RLC: presenza contemporanea dei 3 elementi passivi: resistenza, capacità, induttanza Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

18. Trasformatore Scopo: trasformare V01 in V02 Induzione elettromagnetica: al primario, i(t)  B(t) al secondario, B(t)  fem indotta Risultato: V02/V01 = N2/N1  V02 = V01•N2/N1 ! Nucleo di ferro con avvolti due circuiti: primario con N1 avvolgimenti, secondario con N2 avvolgimenti Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico

19. Es. Defibrillatore cardiaco Fibrillazione: contrazioni scorrelate pericolo mortale! Reset: contrazione contemporanea di tutte le fibre muscolari Metodo: mandare al cuore un’enorme corrente (20 A) per un tempo brevissimo (5 ms) ! V02 = V01•N2/N1 220 • 614/45 = 3000 V con R = 50 W, C = 100 mF  t = RC = 5 ms Fisica Applicata per Tecnici di Laboratorio Biomedico