Fortunato Neri Dipartimento di Fisica della Materia e Tecnologie Fisiche Avanzate

1. Fortunato Neri Dipartimento di Fisica della Materia e Tecnologie Fisiche Avanzate tel. 090 676-5394 e-mail: neri@ortica.unime.it Facciamo conoscenza

2. Svolgimento del corso Mar 9.00 – 11.00 Gio 9.00 – 11.00 Dal 7/10 all’11/12 2008 e dall’8 al 29/1/2009 Aula M (primo piano) Circa 24 lezioni con esercitazioni Previste no. 2 prove intermedie Modalità esame: prove intermedie (scritte)  sufficiente: esame superato appelli normali: prova scritta ( sufficiente) + integrazione orale Testoconsigliato: Serway, Jewett “PrincipidiFisica”, 3° ediz., vol. I e II, casa editriceEdises Testoalternativo: Halliday, Resnick, Walker “FondamentidiFisica” vol. I e II, ed. Ambrosiana

3. FISICA II Argomenti del corso Potenziale elettrico e Capacità Corrente elettrica e Resistenza Circuiti elettrici a corrente continua Forze e Campi magnetici Campi magnetici generati da cariche in moto: Induzione Oscillazioni e semplici circuiti AC Onde elettromagnetiche: equazioni di Maxwell Ottica geometrica (riflessione, rifrazione) e ondulatoria (interferenza, diffrazione) Fisica quantistica: fotoni e onde di materia Fisica atomica Stati aggregati della materia (cenni)

4. FISICA … perché studiarla ? Informatica è una laurea scientifica per la quale sono necessarie conoscenze in ambiti diversi • In altre parole la laurea in Informatica non è un corso per programmatori (in C, Java, …) • Affrontare e risolvere semplici (!) problemi di fisica permette di acquisire capacità cosiddette di “problemsolving” specificatamente richieste in campo aziendale • L’informatica è un settore in rapida evoluzione: le tecnologie si rinnovano frequentemente, sono necessarie conoscenze scientifiche (sia pure generali) per poterle comprendere ed usare efficacemente.

5. Interazioni fondamentali (origine delle forze) Elettromagnetica : lungo raggiolega elettroni e protoni per formare atomi, che formano molecole, etc. Forte : corto raggio ~10-14m  lega i protoni ed i neutroni per formare i nuclei Nucleare debole: corto raggio ~ 10-14 m decadimento neutronico e radioattività naturale argomento del corso Gravitazionale: domina su larga scala, legata alla massa

6. CaricaElettrica elettroni +neutroni +protoni Acquisendo o perdendo elettroni La materia cambia il suo stato di carica atomo La carica elettrica è una proprietà intrinseca delle particelle fondamentali che costituiscono la materia. • Stato di carica possibile: • negativo (elettrone) • neutro (p.es., neutrone) • positivo (p.es., protone) • Evidenze sperimentali: • Lo “sfregamento” (frizione) e/o il contatto provocano il trasferimento di elettroni da un oggetto ad un altro • Caricamento per contatto (o conduzione)

7. Carica elettrica: evidenze sperimentali Esistono due specie di cariche elettriche: positiva, negativa Cariche omonime si respingono cariche eteronime si attraggono La carica netta in un sistema isolato si conserva sempre

8. Conduttori & Isolanti Conduttori: materiali in cui le cariche elettriche possono muoversi “liberamente”: metalli, acqua naturale, corpo umano, … fondamentali per lo sviluppo della microelettronica e, quindi, dell’informatica !!! • Isolanti: materiali in cui le cariche elettriche sono “bloccate”: aria, vetro, plastica, … • Semiconduttori: un tipo di isolanti in cui è possibile variare il numero ed il tipo (positivo o negativo) di cariche elettriche mobili (es. silicio, germanio);

9. Legge di Coulomb La forza* esercitata da una carica puntiforme su di un’altra agisce lungo la congiungente le cariche. F21 2 r 1 + + Forza repulsiva r - + F21 Forza attrattiva 2 1 • La forza varia secondo l’inverso del quadrato della distanza che separa le cariche. • La forza è proporzionale al prodotto delle cariche. • La forza è repulsiva per cariche dello stesso segno e attrattiva per cariche di segno opposto. *la forza è un vettore

10. Unità di carica elettrica Coulomb (C): 1 Coulomb è la quantità di carica che passa in 1 secondo attraverso una qualsiasi sezione di un filo percorso dalla corrente di 1 Ampere. Costante Dielettrica • La costante ke è definita come: e0è la costante dielettrica nel vuoto.

11. Sommario carica elettrica • Proprietà fondamentale: associata ai protoni ed elettroni • L’unità di misura nel sistema SI è il coulomb (C) • Due di tipi di carica (q): • Positiva (+): p.es. protoni (qprotone = +1.602x10-19 C) • Negativa (-): p.es. electroni (qelettrone = -1.602x10-19 C) • Atomi & molecole, normalmente, possiedono carica nulla • eguale numero di protoni ed electroni • stesso valore assoluto ma segno opposto • Proprietà della carica: • cariche dello stesso segno si respingono • cariche di segno opposto si attraggono • La carica elettrica è quantizzata • La carica elementare (e) vale 1.602x10-19 C • La carica totale di qualunque materiale è un multiplo di (e) qtotale = Ne • La carica elettrica si conserva • Non si conoscono processi che modificano autonomamente (senza trasferimento) la quantità di carica.

12. Principio di sovrapposizione degli effetti Principio di sovrapposizione: Per un insieme di cariche puntiformi, la forza totale agente su una carica è la risultante vettoriale di ciascuna forza agente su di essa. Le forze non sono influenzate dalla presenza di altre forze. Problema: valutare la forza totale agente su Q1essendo Q1=Q2=Q3=1C e disposte ai vertici di un triangolo equilatero. Q1 600 F F3 F2 R=1m Q2 Q3 Q1=Q2=Q3=1C

13. Campo Elettrico q1 F1 F q0 F2 q2 carica di prova r r Risposta: q1 e q2 generano uncampo elettrico che non dipende dalla carica di prova q0 ma solo dalla posizione nello spazio. (Azione a distanza) F = E q 0 Una semplice osservazione, ma ricca di conseguenze • L’intensità della forza di Coulomb su una data carica è sempre proporzionale al valore della carica stessa. Esperimento: inseriamo una carica di prova q0 in presenza di altre due cariche q1 e q2 Domanda: Come fa q0 a conoscere la presenza di q1 e q2 ?

14. Campo Elettrico Qp=1.6x10-19 C + r = 1x10-10 m • Una particella carica crea un campo elettrico. Il campo elettrico è una grandezza vettoriale ed ha la stessa direzione della forza agente su una carica positiva. • q (carica di prova) • E campo indipendente dalla carica di prova • F = qE E • E = (9109)(1.610-19)/(10-10)2 N = 2.91011 N/C (diretto verso destra)

15. Campo Elettrico F + + - + + + + + + - + + + + + + + + + - - - Possiamo quindi determinare, ovunque nello spazio, il campo elettrico prodotto da arbitrari : Distribuzioni di carica Insiemi di cariche Valore di E all’origine Queste cariche o distribuzioni di cariche sono “l’origine” del campo elettrico nello spazio

16. Campo Scalare I singoli valori delle temperature campionano il campo scalare (conosciamo la temperature nel punto prescelto, ma T è definita ovunque (x,y)

17. Campo Vettoriale • La distribuzione delle velocità dei venti è un campo vettoriale • oltre all’intensità (modulo) è necessario conoscere la direzione ed il verso per sapere “che vento tira ...”

18. Campo Elettrico di una Carica Puntiforme La forza su una carica di prova è per definizione il campo elettrico è dato da:

19. Campo Elettrico generato da cariche puntiformi multiple La forza esercitata su un carica di prova è data da pertanto il campo elettrico è, per definizione, dato da Principio di Sovrapposizione!

20. Dipolo Elettrico diretto a sinistra Esempi - Dipolo Elettrico diretto in basso + Due cariche eguali Cariche opposte. Si noti che il doppio delle linee di flusso entrano (o escono) dalla carica che vale 2Q. Piani paralleli carichi

21. Momento di Dipolo Elettrico +Q r a x a -Q Momento di dipolo: Consideriamo r >> a casi di particolare interesse: p. es. molecole, antenne = dQ dove d è la separazione tra le due cariche Edipolo r-3a distanza in tutte le direzioni Il momento di dipolo è diretto dalla caricanegativaverso quellapositiva. Molte molecole possiedono un momento di dipolo elettrico (molecole polari).

22. Densità di carica dq = sdA dq = rdV • Come si rappresenta la carica “Q” su un oggetto esteso ? piccole quantitàdi caricadq carica totaleQ • carica lineare:λ = carica per unitàdi lunghezza dq = l dx • carica superficiale:s = carica per unitàdi area • carica di volume r = carica per unitàdi volume

23. Carica puntiforme in un campo elettrico • Determiniamo la forza elettrostatica cui è soggetta una carica posta in campo elettrico esterno, F = qE • La direzione della forza è la stessa di quella del campo esterno, se la carica è positiva, ovvero è opposta se la carica è negativa. • La carica non risente del proprio campo elettrico • Il campo elettrico totale è, comunque, dato dalla sovrapposizione del campo esterno +di quello interno (generato dalla carica puntiforme stessa)

24. Carica in un campo uniforme (energia cinetica)

25. Moto di particelle cariche - Esempio

26. Applicazioni “moderne” stampanti a getto d’inchiostro “ink-jet” segnali d’ingresso carta E piani deflettenti generatore gocciolina dispositivo di carica della gocciolina

27. Applicazioni “moderne” • Monitor CRT • Televisore CRT

28. Legge di Gauss • Flusso Elettrico • Legge di Gauss: Motivazione & Definizione • Legge di Coulomb come conseguenza della legge di Gauss • Cariche sui Conduttori La legge di Gauss mette in relazione i campi su una superficie gaussiana (superficie chiusa di forma arbitraria) con le cariche racchiuse dalla superficie stessa.

29. Concetto di Flusso

30. Flusso elettrico Il flusso elettrico Φ attraverso una superficie gaussiana è proporzionale al numero di linee di campo elettrico passanti attraverso la superficie

31. Teorema di Gauss Relazione generale tra il flusso elettrico totale Φ attraverso una superficie chiusa e la carica elettrica contenuta all’interno di questa superficie. mette in relazione E e q. E’ utile solo nei casi in cui vi è alta simmetria (spaziale). Matematicamente il vero problema è svolgere l’integrale !!!

32. Flusso attraverso superfici chiuse (esempi)

33. Legge di Coulomb Forza tra cariche puntiformi OPPURE Legge di Gauss Relazione tra Campi Elettrici e cariche Leggi fondamentali dell’Elettrostatica

34. Legge di Gauss • Leggedi Gauss (è una LEGGE FONDAMENTALE): Il flussoelettriconettoΦattraversounaqualunquesuperficiechiusa (gaussiana) è proporzionaleallacaricaracchiusada tale superficie. • Come usarequestaequazione ? • É molto utile neltrovareEquando la situazionefisicapresentaelevatigradidiSIMMETRIA.

35. Legge di Gauss La legge di Gauss mette in relazione il flusso netto Φ di un campo elettrico attraverso una superficie chiusa (gaussiana) con la carica netta qint che è racchiusa all’interno della superficie. S1: e0F1=+q S2: e0F2=-q S3,S4: e0F3= e0F4 =0

36. Legge di Gauss Þ Legge di Coulomb(implica) E R +Q • Simmetria Þ il campo Edi una carica puntiforme èradialeesfericamente simmetrico • Disegnamo una sfera di raggio Rcentrata sulla carica. • Perchè ? • E è normale in ogni punto sulla superficie • E è identico in ogni punto sulla superficie • possiamo portareEfuori dell’integrale! • Pertanto, ! • legge di Gauss • libertà di scelta della superficie, purchè sia “Gaussiana” Þ Þ