Laboratorio di Didattica della Fisica e della Matematica

Laboratorio di Didattica della Fisica e della Matematica dott. Giovanni Casini Università di Roma Tor Vergata – Laboratorio di Didattica della Fisica e

A quale evoluzione conduce l’elettrostatica? Applicazioni dirette • il parafulmine, sistemi per scaricare l’elettricità statica • generatori ad alta tensione in continua; ad es. il generatore di Van der Graaf come primo stadio di accelerazione negli acceleratori di particelle • la deposizione controllata del toner nelle fotocopiatrici La pila di Volta La possibilità di avere correnti intense e persistenti apre la porta allo sviluppo dell’elettromagnetismo Le applicazioni sono numerosissime: praticamente tutto quello che usiamo funziona grazie all’elettromagnetismo Università di Roma Tor Vergata – Laboratorio di Didattica della Fisica e

L’invenzione della pila • Volta era convinto che l’elettricità si producesse nel contatto fra due metalli diversi e venisse solamente rivelata dalla contrazione dei muscoli delle rane, mentre Galvani credeva che l’elettricità originasse nel corpo dell’ animale e fosse l’arco bimetallico a permetterle di rivelarsi. Per verificare la sua ipotesi Volta ha bisogno di misurare la ddp fra due metalli. • Abbiamo visto che l’elettroscopio misura solo grandi ddp, come misurare la ddp di contatto? • Volta inventa un modo per aumentare la sensibilità dell’elettroscopio in modo da poter misurare la differenza di potenziale Università di Roma Tor Vergata – Laboratorio di Didattica della Fisica e

L’ elettroscopio condensatore C Ce Università di Roma Tor Vergata – Laboratorio di Didattica della Fisica e

L’ elettroscopio condensatore Il condensatore C e la capacità dell’elettroscopio Ce sono connessi in parallelo, con C >> Ce. Se chiamiamo V la d. d. p. della pila, per il sistema dei due condensatori si ha: C Ce Dove Q è la carica complessiva del sistema. Quando annulliamo la capacità C, la carica Q viene ridistribuita fra le armature di C e Ce che sono in contatto. La tensione a cui si troverà l’elettroscopio è che, per la precedente, diventa: Università di Roma Tor Vergata – Laboratorio di Didattica della Fisica e

Spiegazione microscopica del potenziale di contatto WAu WZn WAu= 5, 2 e. V WZn= 4, 2 e. V Università di Roma Tor Vergata – Laboratorio di Didattica della Fisica e

Spiegazione microscopica del potenziale di contatto -ΔV Au Zn ΔV : d. d. p. di contatto (effetto Volta) Università di Roma Tor Vergata – Laboratorio di Didattica della Fisica e

L’invenzione della pila • La d. d. p. di contatto non è utilizzabile per generare correnti, perché quando chiudiamo il circuito si annulla • Volta supera il problema inserendo un conduttore di 2 a specie, che non presenta potenziale di contatto apprezzabile • La sua spiegazione del funzionamento della pila è però sbagliata (vedi la polarità) Università di Roma Tor Vergata – Laboratorio di Didattica della Fisica e

Generatori ideali + • Il generatore ideale di tensione mantiene costante la tensione ai suoi capi _ indipendentemente dal carico applicato • Il generatore ideale di corrente mantiene costante la corrente nel circuito indipendentemente dal carico applicato Università di Roma Tor Vergata – Laboratorio di Didattica della Fisica e

Generatori reali • Il generatore reale di tensione equivale ad un generatore ideale con in serie una resistenza interna Ri • Il generatore reale di corrente equivale ad un generatore ideale con in parallelo una resistenza interna Ri + Ri _ Ri Università di Roma Tor Vergata – Laboratorio di Didattica della Fisica e

Misura della corrente del Vd. G • E misura dell’impedenza interna Università di Roma Tor Vergata – Laboratorio di Didattica della Fisica e

Magnetostatica: esperienze con le calamite • Capacità dei magneti di attrarre ferro, nichel, cobalto • Esistenza di due tipi di poli magnetici • Legge di attrazione fra i poli: quelli uguali si respingono, quelli diversi si attraggono • Inseparabilità dei poli magnetici • Esistenza del campo magnetico terrestre: la bussola • Visualizzazione delle linee di forza del campo con la limatura di ferro Università di Roma Tor Vergata – Laboratorio di Didattica della Fisica e

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Il paradosso GEOMAG • Perché i magneti Geomag si possono unire come si vogliono, anche più di due alla volta? Università di Roma Tor Vergata – Laboratorio di Didattica della Fisica e

Magnetizzazioni Geomag Università di Roma Tor Vergata – Laboratorio di Didattica della Fisica e

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L’esperienza di Oersted • Oersted si accorse casualmente che la corrente con cui stava mostrando il riscaldamento di un filo causava il movimento di una bussola posta sul tavolo. • L’esperienza rappresenta il primo passo verso l’unificazione della forza elettrica con quella magnetica nella forza elettromagnetica. • L’esperienza sarebbe stata irrealizzabile senza l’invenzione della pila. Università di Roma Tor Vergata – Laboratorio di Didattica della Fisica e

1° Esperimento Il campo magnetico intorno ad un filo può essere visualizzato per mezzo di aghi magnetici, sensore magnetico di uno smartphone (app bussola) o Università di Roma Tor Vergata – Laboratorio di Didattica della Fisica e limatura di ferro

Si deduce che: • Le linee di forza del campo magnetico prodotto da un filo rettilineo percorso da corrente continua sono delle circonferenze • Invertendo la corrente si inverte la direzione del campo (visualizzabile solo con aghi magnetici) • L’intensità del campo decresce con la distanza Università di Roma Tor Vergata – Laboratorio di Didattica della Fisica e

Si deduce che: • Il nuovo campo vettoriale, che chiameremo induzione magnetica B nel punto r, dipende quindi da I (vettore con la direzione del filo e il verso della corrente) e da r (che ha la direzione della congiungente filo-punto) • Siamo in presenza di un’operazione matematica nuova, il Prodotto Vettoriale Università di Roma Tor Vergata – Laboratorio di Didattica della Fisica e

2°Esperimento Studiamo la forza che si rileva su un filo percorso da corrente immerso in un campo magnetico prodotto da un magnete permanente. Per comodità studiamo la reazione, ovvero la forza sul magnete che produce il campo. • Possiamo verificare l’effetto del verso della corrente • Possiamo misurare la forza in funzione della corrente • Possiamo esaminare la dipendenza dall’angolo filocampo magnetico Università di Roma Tor Vergata – Laboratorio di Didattica della Fisica e

3°Esperimento Studiamo la forza che si rileva tra due fili percorsi da corrente • Possiamo verificare l’effetto del verso della corrente • Possiamo misurare la forza in funzione della corrente Università di Roma Tor Vergata – Laboratorio di Didattica della Fisica e

Deduzioni • Siamo ancora in presenza di un prodotto vettoriale • Si deduce la seconda formula di Laplace: formula che assume carattere “fisico” solo dopo l’integrazione Università di Roma Tor Vergata – Laboratorio di Didattica della Fisica e

Interpretazione microscopica della forza che si rileva su un filo percorso da corrente immerso in un campo magnetico Università di Roma Tor Vergata – Laboratorio di Didattica della Fisica e

L’esprienza di J. J. Thomson: la misura di e/m • Si veda la presentazione dedicata al’esperimento Università di Roma Tor Vergata – Laboratorio di Didattica della Fisica e

4° Esperimento • Faraday era convinto che le leggi della natura possedessero una elegante simmetria: se le correnti producevano un campo il campo dova produrre correnti; proprio facendo questi tentativi si accorse che: – Se il magnete era fermo nel solenoide non accadeva nulla, ma una corrente veniva generata se il magnete si muoveva. • Se muoviamo una spira in un campo magnetico otteniamo una ddp ai capi della spira • Analogo risultato se deformiamo la spira nel campo • Analogo risultato se teniamo ferma la spira e variamo il campo Università di Roma Tor Vergata – Laboratorio di Didattica della Fisica e

Si deduce che: • La ddp è generata da una forza “non elettrica” che chiameremo “forza elettromotrice (f. e. m. )” • La f. e. m. è generata ogni qual volta varia il flusso del campo B concatenato con la spira • Esempio di f. e. m. : il generatore di Van der Graaf Università di Roma Tor Vergata – Laboratorio di Didattica della Fisica e

5° Esperimento • Misuriamo la f. e. m. durante il processo di estrazione della spira dal campo magnetico Università di Roma Tor Vergata – Laboratorio di Didattica della Fisica e

Si deduce che: • Il valore istantaneo della f. e. m. dipende dalla rapidità con cui varia il flusso concatenato • L’area racchiusa fra il grafico della f. e. m. e l’asse dei tempi è la stessa per diversi modi di estrarre la spira dal campo. Università di Roma Tor Vergata – Laboratorio di Didattica della Fisica e

Legge di Faraday- Neumann. Lenz - Henry Università di Roma Tor Vergata – Laboratorio di Didattica della Fisica e

6° Esperimento • Pendolo di Walthenhofen • Magnete sullo scivolo (si veda il ppt aggiuntivo dedicato) • Magnete che cade nel tubo di rame Università di Roma Tor Vergata – Laboratorio di Didattica della Fisica e

Le correnti di Foucault • Sono dette anche correnti parassite perché dissipano energia • La tecnologia delle macchine che usano la legge dell’induzione (generatori, motori, trasformatori) deve affrontare il problema di ridurre le correnti parassite (correnti di Foucault) Università di Roma Tor Vergata – Laboratorio di Didattica della Fisica e

Si deduce che: • La f. e. m. generata produce una corrente il cui effetto magnetico è in opposizione alla causa che genera la stessa f. e. m. , come si accorse Lenz • da qui la necessità di avere il segno meno nella legge dell’induzione, un corollario dovuto a Lenz Università di Roma Tor Vergata – Laboratorio di Didattica della Fisica e

Il campo elettromagnetico • La possibilità di trasformare l’uno nell’altro significa che campo elettrico e magnetico sono le manifestazioni particolari (statiche) di un unico campo, il campo elettromagnetico • Questa è stata la prima “unificazione di interazioni della fisica”, a cui segue poco dopo quella dell’ottica (luce=onde elettromagnetiche) Università di Roma Tor Vergata – Laboratorio di Didattica della Fisica e

Il trasformatore (cenno) • Se due circuiti elettrici abbracciano lo stesso flusso magnetico, le variazioni di questo flusso produrranno identiche f. e. m. su ciascuna spira di entrambi i circuiti. Quindi le f. e. m. ai capi dei due circuiti saranno proporzionali al numero di spire. Se immettiamo nel primo circuito una corrente alternata potremo produrre un flusso magnetico alternato e quindi ottenre una corrente alternata “trasformata” nel secondo circuito ad un diverso valore della tensione: abbiamo il trasformatore. Università di Roma Tor Vergata – Laboratorio di Didattica della Fisica e