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Potenziale Elettrico
Potenziale Elettrico Q V 4πε πε0 R Q 4πε πε0 r R r R C R B r B q r A A independenza dal cammino Superfici Equipotenziali • Forze Conservative e Conservazione Energia – l’energia totale è costante ed è la somma di energia cinetica e energia potenziale • Concetto di Potenziale Elettrico – È ben definito ? cioè il Potenziale Elettrico è una proprietà dello spazio e delle sorgenti (di carica) come è il Campo Elettrico ? (le differenze di potenziale sono funzione solo delle posizioni) Conservazione energia meccanica di una particella 1 K = mv 2 2 • Energia Cinetica – non-relativistica • Energia Potenziale U ( x , y , z ) – determinata dalla legge di forza • per Forze Conservative l’energia totale è costante: energia totale = K+U è costante • esempi di forze conservative – gravità; energia potenziale gravitazionale – elastica; molla (legge di Hooke): U(x)=kx2 – elettrica; energia potenziale elettrica • esempi di forze non-conservative (dissipative) – attrito – moto viscoso (velocità limite) Le forze elettriche sono conservative • Consideriamo una particella carica che si sposta attraverso una regione in presenza di un campo elettrico statico: - + • una carica negativa è attratta verso la carica positiva fissa • la carica negativa possiede più energia potenziale e meno energia cinetica lontano dalla carica fissa positiva, e … • più energia cinetica e meno energia potenziale vicino la carica positiva fissa. • Tuttavia, l’energia totale si conserva • I n tro d u c ia m o o ra l’energia potenziale elettrica ed il potenziale elettrostatico …. Potenziale Elettrico e Energia Potenziale • Immaginiamo una carica di prova, Qo, in un campo elettrico e s t e r n o , E(x,y,z) (Ciascuna componente E x Ey Ez è una funzione di x,y,z) • Qual’è l’energia potenziale, U(x,y,z) della carica in questo campo? – Definiamo arbitrariamente dove U(x,y,z) è nulla: a distanza infinita (per distribuzioni di carica che sono finite) – U(x,y,z) è eguale al lavoro necessario per portare Qo dal punto dove U è nulla al punto (x,y,z) • Definiamo V(x,y,z) mediante U(x,y,z) = QoV(x,y,z) • U dipende da Qo , ma V è independente da Qo (che può essere + oppure -) • V(x,y,z) è il potenziale elettrico associato con E(x,y,z) –V(x,y,z) è un campo scalare Potenziale Elettrico ... • Supponiamo che la carica q0 si muova da A a B attraverso una regione di spazio in cui è presente il campo elettrico E. q0 A E B • Poichè sulla carica agirà una forza dovuta ad E, una certa quantità di lavoro WAB dovrà essere fatto per ottenere questo risultato. • Definiamo la differenza di potenziale elettrico come: WAB è la differenza di VB −VA ≡ WA→B ≡ WAB q0 q0 energia potenziale per andare da A a B • È una buona definizione ? • È VB - VA independente da q0? • È VB - VA independente dal cammino? ∆V ha una intensità ed un segno: + oppure Se - (VB più basso), il lavoro svolto dal campo è negativo, mentre è positivo quello svolto dalla forza Fe Unità di misura: Volt=Joule/Coulomb Indipendente dalla carica di prova ? • Per muovere una carica in un campo E, dobbiamo applicare una forza eguale ed opposta a quella cui è soggetta la carica a causa della presenza del campo E. • essendo: lavoro = forza × spostamento B B WAB = − ∫ Felet • dl = − ∫ q0 E •dl A ⇒ Fapplicata = -Felet Felet q0 E A A B W AB VB − V A ≡ = − ∫ E • dl q0 A Indipendente dalla carica. • una carica positiva “cadrà” da un potenziale più alto ad uno più basso guadagnando Energia Cinetica, ovvero un lavoro negativo esterno viene svolto. • per far andare una carica positiva di prova dal punto a potenziale più basso a quello più alto è necessario “spendere” energia – svolgere un lavoro esterno (ovvero la particella potrebbe perdere energia cinetica) B Esempio 1 • una carica singola ( Q = -1µ µC) è fissa all’origine. Definire un punto A a x=+5m e un punto B a x = +2m. – Qual’è il segno della differenza di potenziale -1µ µC tra A e B? (VAB ≡ VB - VA ) (a) VAB < 0 (b) VAB = 0 B × A × x (c) VAB > 0 •La La maniera più più semplice per ricavare il segno della differenza di potenziale è di immaginare di porre una carica positiva nel punto A e determinare se un lavoro positivo o negativo debba essere svolto nl muovere la carica al punto B. •Una Una carica positiva in A sarebbe attratta verso la carica da -1µC; pertanto un lavoro esterno NEGATIVO dovrebbe essere svolto per muovere la carica da A a B. (si (si noti, noti, il campo E esegue un lavoro positivo su questa carica positiva) positiva) •Si Si può anche determinare il segno direttamente definizione: definizione: dalla ≡ VB − V A = − ∫ E • dl B V AB A Poichè E • dl > 0 , VAB <0 !! Independente dal Cammino ? B W AB VB − V A ≡ = −∫ E ⋅ d q0 A Felet -Felet q0 A • Definizione della differenza di potenziale : ∆VAB=VB - VA. • L’integrale è la somma delle componenti tangenziali (al cammino) del campo elettrico lungo il percorso da A a B. • La questione è: Dipende questo integrale dallo specifico percorso scelto per andare da A a B ? E B dl Vediamo se è veramente indipendente • Consideriamo il caso di un campo costante : – via diretta: A - B VB − V A = − ∫ E • dl = Eh B A Notare che dl punta in verso opposto a E. B h dl A θ C r dl • via più lunga: A - C – B C B VB − V A = − ∫ E • dl − ∫ E • dl = − ∫ (− E( dl ) sin θ ) − 0 C A C A V B − V A = E (sin θ ) r = Eh • Abbiamo almeno un esempio di un caso in cui l’integrale è lo stesso per ENTRAMBI i cammini. E Lavoro e differenza (∆) di Energia Potenziale W = F d cos(θ) Gravità • mattone spostato yi→ yf • FG = mg (giù) • WG = -mgh • ∆UG= +mgh yf→ h yi→ Fg=mg Fg=mg Fg=mg Fg=mg Fg=mg Fg=mg Fg=mg Fg=mg Elettrico • carica spostata ∞ → rf • FE = kq1q2/r2 (sinistra) • WE = -kq1q2/rf • ∆UE= +kq1q2/rf rf 1. Lavoro da eseguire per avvicinare 3 cariche (da +1, +2 e +3 µC rispettivamente) • W1 = 0 • W2 = k q1 q2 /r =(9×109)(1×10-6)(2×10-6)/5 =3.6 mJ • W3 = k q1 q3/r + k q2 q3/r (9×109)(1×10-6)(3×10-6)/5 + (9×109)(2×10-6)(3×10-6)/5 =16.2 • • • Wtotale = +19.8 mJ WE = -19.8 mJ ∆Een.pot.elettrica = +19.8 mJ (occhio ai segni!) 3 5m 1 5m 5m 2 mJ 2. Lavoro da eseguire per avvicinare 3 cariche negative (da -1, -2 e -3 µC rispettivamente) Quanto lavoro ci costerà avvicinare 3 cariche negative ? cariche simili si respingono, quindi dovremo ancora eseguire un lavoro positivo ! a) W = +19.8 mJ b) W = 0 mJ c) W = -19.8 mJ 3 5m 1 5m 5m 2 1 5m 3. Lavoro necessario per avvicinare 3 cariche (uguali in valore assoluto) 2 + + 5m 5m - 3 Il lavoro totale da eseguire (da parte vostra, cioè dello sperimentatore) per mettere insieme queste cariche è: a) positivo portare (1): lavoro nullo b) nullo portare (2): lavoro positivo c) negativo portare (3): lavoro negativo x 2 Potenziale Elettrico • Unità Joules/Coulomb ≡Volts – Batterie – Prese elettriche • In realtà sono differenze di Potenziale • Linee Equipotenziali (equilivello) • Le linee del campo puntano verso il basso • V = k q/r (a distanza r dalla carica q) in particolare V(∞) = 0 Esempio • Dati tre punti A, B, C in un campo E uniforme C E uniforme → A B Come è il potenziale elettrico nel punto A rispetto al punto B ? 1) maggiore 2) eguale 3) minore Il campo elettrico va da A a B Il campo è uniforme così il potenziale elettrico è eguale in tutti i punti Il potenziale elettrico in A è minore del potenziale in B perchè il punto C interferisce con il massimo del potenziale in A. Esempio • Dati tre punti, A e B all’interno di un conduttore e C all’esterno, immersi in un campo E uniforme C A E uniforme → conduttore B Il potenziale elettrico nel punto A è __???__ che nel punto B 1) maggiore 2) eguale 3) minore “perchè il campo elettrico è nullo in ogni punto all’interno di un materiale conduttore” Riassumendo C E uniforme → A Cammino A→B A→C C→B B Vfinale - Viniziale Carica ∆ E.P.E. = q ∆V Wcampo E Negativa + - Negativa Positiva Zero Zero Nulla + - Zero Zero + - Negativa Positivo Positiva Negativo Negativa Positivo Negativo Esempio: Potenziale Elettrico + Ε C A B Il potenziale elettrico (generato dall’unica carica positiva) nel punto A è __???__ che nel punto B 1)maggiore • Le linee del campo elettrico puntano “verso il basso” 2)eguale • La linea AC è equipotenziale (perpendicolare ad E) 3)minore • La linea CB è “verso il basso”, così B è ad un potenziale più basso di A Potenziale Elettrico generato da un Protone Qual’è il potenziale elettrico ad una distanza r=0.53×10-10m da un protone ? (Sia V(∞)=0) V =U/q= k q/ r =(9×109C2N-1m-2)(1.6×10-19C) /0.53×10-10m= 27.2 volts rf = 0.5×10-10 m + Energia Potenziale Elettrica vs. Potenziale Elettrico • Energia Potenziale Elettrica (U) – l’energia di una carica in un punto. • Potenziale Elettrico (V) - proprietà di un punto nello spazio – ci dice quale EPE avrebbe una carica se fosse posta in quel punto (generalmente ci riferiamo a differenze di potenziale tra due punti): U = Vq • Ciascuna delle due quantità è funzione solo del posto (scalare). Il segno è importante ! Due Cariche •Calcolare il potenziale elettrico nel punto A dovuto alle cariche presenti –Calcolare V dalla carica +7µC –Calcolare V dalla carica –3.5µC –Sommarli •V = kq/r V7=(9×109C2N-1m-2)(7×10-6C)/5m = 12.6×103V V3=(9×109C2N-1m-2)(-3.5×10-6C)/5m = -6.3×103V 4m A Vtot = V7+V3 = +6.3×103V Q=+7.0µC Quanto lavoro bisogna spendere per portare una carica da 2 µC dall’infinito al punto A? 6m Q=-3.5 µC W=∆U=∆Vq =(+6.3×103V)(2µC) =+12.6 mJ Due Cariche • Nella regione II (tra le due cariche) il potenziale elettrico è : 1) sempre positivo 2) positivo in alcuni punti, negativo in altri. 3) sempre negativo Ι ΙΙ Q=+7.0µC ΙΙΙ Q=-3.5 µC Molto vicino alla carica positiva il potenziale è positivo Molto vicino alla carica negativa il potenziale è negativo Potenziale Elettrico Curve Equipotenziali ed Energia U = qV Potenziale Elettrico: dove è nullo? • Abbiamo considerato finora differenze di potenziale. VAB • ≡ VB − VA = − ∫ E idl B Definiamo il potenziale elettrico di un punto nello spazio come la A differenza di potenziale tra quel punto e un punto di riferimento. • un buon punto di riferimento è l’infinito ... tipicamente si pone V∞=0 • quindi il potenziale elettrico è definito come: V ( r ) ≡ Vr − V∞ per una carica puntiforme all’origine, integriamo dall’infinito lungo un certo asse, p.es. l’asse x • “r” è la distanzar dall’origine V ( r ) − V ( ∞ ) = − ∫ E i dl ⇒ ∞ VAB r V = − ∫ Edr ' essendo E = ∞ 1 r r q q 1 q ′ ′ = − = − V =− dr dr 4πε 0 ∞∫ r '2 4πε 0 ∞∫ r '2 4πε 0 integrale di linea dl 1 q V ( r ) ≡ Vr − V∞ = 4πε 0 r 1 q 4πε 0 r '2 r 1 q 1 − = r ' 4πε 0 r ∞ Potenziale dovuto ad un insieme di N cariche puntiformi r1 Il potenziale da un insieme di N cariche è proprio la somma algebrica del potenziale dovuto a ciascuna carica separatamente. DI NUOVO IL PRINCIPIO DI SOVRAPPOSIZIONE. q2 r =r r=r N V( r ) = − ∫ E • dl = − ∫ ∑En • dl r =∞ n=1 r =∞ ⇒ N x q1 1 N qn V ( r ) = ∑ Vn ( r ) = ∑ 4 πε n =1 0 n =1 rn r2 r3 q3 Esempio • Quale delle seguenti distribuzioni di carica produce V(x)= 0 per tutti i punti sull’asse delle x ? (si definisca V(x) ≡ 0 per x=∞) +2µ µC +1µ µC +2µ µC +1µ µC x -2µ µC -1µ µC (a) +2µ µC -2µ µC x -1µ µC (b) -2µ µC x -1µ µC (c) +1µ µC La soluzione consiste nel rendersi conto che per calcolare il potenziale totale in un punto, dobbiamo solo eseguire una somma ALGEBRICA dei contributi individuali Pertanto, per avere V(x)=0 per tutte le x, dobbiamo avere che i contributi +Q e -Q si annullino a vicenda, il che significa che qualunque punto sull’asse x deve essere equidistante da +2µ µC e -2µ µC ed anche da +1µ µC e -1µ µC. Questa condizione è rispettata solo nel caso (a)! Superfici Equipotenziali Definizione: Il luogo dei punti con lo stesso potenziale. • Esempio: per una carica puntiforme, le superfici equipotenziali sono sfere centrate sulla carica. • PROPRIETA’ GENERALE : – Il campo elettrico è sempre perpendicolare ad una superficie equipotenziale. VB − VA = − ∫ E • dl B • Perchè ? A Sulla superficie, NON vi è variazione di V (perchè è equipotenziale!) Pertanto, − ∫ E • dl = ∆V = 0 B A Si può concludere allora, che E • dl è nullo. Se il prodotto scalare tra il campo vettoriale ed il vettore spostamento è nullo, quindi i due vettori sono perpendicolari, ovvero il campo elettrico è sempre perpendicolare alla superficie equipotenziale. Superfici Equipotenziali di una sfera carica Er Superfici Equipotenziali • • • • Il campo elettrico della sfera carica ha una simmetria sferica. Il potenziale dipende solo dalla distanza dal centro della sfera, come ci si aspetta dalla simmetria sferica. Pertanto, il potenziale è costante su una sfera concentrica alla carica puntiforme. Queste superfici sono dette “equipotenziali”. Notare che il campo elettrico è perpendicolare alla superficie equipotenziale in tutti i punti. Potenziale di una sfera uniformemente carica Esercizio Una sfera isolante di raggio R ha una densità di carica positiva ed uniforme con una carica totale Q. Determinare il potenziale elettrico: (a) all’esterno e (b) all’interno della sfera. Potenziale di una sfera uniformemente carica Per il teorema di Gauss, al di fuori di Q Er = k e 2 ( per r > R ) una sfera uniformemente carica r diretto radialmente verso l’esterno essendo Q positiva. Per ottenere il potenziale nel punto B dr Q VB = − ∫ Er dr = −keQ ∫ 2 =ke ∞ ∞ r r r r ( per r > R ≡ carica puntiforme ) •Per il teorema di Gauss, all’interno di una sfera uniformemente carica ( qin = ρV ′ = ρ 4 π r 3 3 ⇒ Er = qin 4πε 0 r 2 = ) 2 = 4 EdA E π r ( )= ∫ e ( ρ 43 π r3 4πε 0 r 2 )= qin ε0 4 π R3 Q ρ Q 3 r= r = ke 3 r R 3ε 0 3ε 0 ( per r < R ) Potenziale di una sfera uniformemente carica D Dalla relazione ∆V = − ∫ E ids C ke Q r ke Q 2 2 VD − VC = − ∫ Er dr = − 3 ∫ r dr = R −r ) ( 3 R R R 2R Q per continuità deve essere, VC = ke ( per r = R ) R ke Q r2 sostituendo VC si ha VD = 3− 2 ( per r < R ) 3 2R R r Potenziale di una sfera uniformemente carica Potenziale di un guscio sferico conduttore carico • campo-E (Legge di Gauss) • r < a: Er = 0 • r >a: V Q 4πε πε0 a 1 Q Er = 4 πε 0 r 2 Q 4πε πε0 r a a • Potenziale a • r > a: r=r V(r )= − ∫ r E • d l = − ∫ E r ( dr ) = r =∞ • r < a: r =r ∞ 1 4πε 0 Q r E=0, quindi nessun ulteriore cambiamento in V fino a V(a) r a r 1 Q V ( r ) = − ∫ E • dl = −∫ Er ( dr ) = −∫ Er ( dr ) − ∫ Er ( dr ) = +0 4πε0 a r =∞ ∞ ∞ a r Cosa significa questo risultato ? • Grafico della componente radiale del campo elettrico di un guscio sferico carico: Er Notare che dentro il guscio, il campo elettrico è nullo. Fuori dal guscio, il campo elettrico diminuisce come 1/r2. a R Il potenziale per r>a è dato dall’integrale di Er. Questo integrale è semplicemente l’area sotto la curva Er . r V Q 4πε πε0 a Q 4πε πε0 r a a R a r In definitiva ... • Se conosciamo il campo elettrico E, VB − V A = − ∫ E • dl B A questa relazione ci permette di calcolare la funzione potenziale V ovunque (noto per definizione VA , p.es. VA = 0 ) • Potenziale dovuto ad n cariche: N 1 N qn V ( r ) = ∑Vn ( r ) = ∑ 4 πε n =1 0 n =1 rn • Le superfici equipotenziali sono superfici su cui il potenziale è costante. Conduttori B VB − VA = −∫ E ⋅ ds A + + + + + + + + + + + + + + • Tesi La superficie di un conduttore è sempre una superficie equipotenziale (infatti, l’intero conduttore è equipotenziale) • Perchè ? Se la superficie non fosse equipotenziale, ci sarebbe una componente del campo elettrico parallela alla superficie e le cariche si muoverebbero di conseguenza !! Similarmente a quanto avviene all’interno del conduttore. Il campo elettrico è perpendicolare alla superficie equipotenziale in tutti i punti lungo la superficie stessa, altrimenti, le cariche all’interno si muoverebbero. Pertanto, spostandoci lungo la superficie, il potenziale non cambia. Carica sui Conduttori • Come è distribuita la carica sulla superficie di un conduttore ? – Deve produrre E=0 dentro il conduttore e E normale alla superficie. esempio Sferico (con piccola carica fuori-centro): + + + - -- + - + + -+q - + + - + + - + + + + + + E=0 dentro il guscio conduttore. la densità di carica indotta sulla superficie interna è non-uniforme. la densità di carica indotta sulla superficie esterna è uniforme E esterno ha una simmetria sferica rispetto al centro del guscio sferico conduttore. Carica sui Conduttori • Come è distribuita la carica su un conduttore non-sferico ? • Evidenza: la densità di carica è maggiore nelle zone con il più piccolo raggio di curvatura. piccola σ grande σ • 2 sfere, connesse da un filo e “distanti” • Entrambe allo stesso potenziale QS QS rS ≈ ⇒ ≈ 4πε 0 rS 4πε 0 rL QL rL QL r r Ma: σ S (QS 4π rS 2 ) ≈ σ L (QL 4π rL 2 ) ⇒ S σ S rL ≈ σ L rS L La sfera più piccola ha la densità di carica superficiale maggiore ! Superficie Equipotenziale (Esempio) • Le linee del del campo sono più “fitte” in prossimità delle zone con grande curvatura. piccola σ • Le linee del campo sono ⊥ alla superficie in prossimità piccolo E della stessa (poichè la superficie è equipotenziale). • Le linee equipotenziali hanno forma simile a quella della superficie (in prossimità della stessa). • Le linee equipotenziali sono simili ad un cerchio (sfera in 3-D) per grandi r. grande σ grande E σ E= ε0 Sfera conduttrice Il massimo potenziale su un conduttore è limitato dal fatto che l’aria circostante diventa conduttrice se 6 Emax = 3 × 10 V / m 1 q essendo E = 4πε0 r 2 R=1 cm R=1m V max 1 q V= 4πε0 r → V=ER V −2 4 = 3 × 10 × 10 m = 3 × 10 V m V max = 3 × 10 6 6 V × 1 m = 3 × 10 6 V m Calcolo di E da V • Possiamo ottenere il campo elettrico E dal potenziale V invertendo la precedente relazione tra E e V: B VB − VA = − ∫ E ⋅ d s A ∂V Ex = − ∂x ∂V Ey = − ∂y r r + xˆdx V V+dV ∂V Ez = − ∂z dV = −E ⋅ xˆdx = −Exdx • Espresso come un vettore, E è il gradiente negativo di V E = −∇V Calcolo di E da V • Che cosa significa che E è il gradiente negativo di V ? E = −∇ V • coordinate cartesiane : ∂V ∂V ∂V ∇V = xˆ + yˆ + zˆ ∂z ∂x ∂y • coordinate sferiche : ∂V 1 ∂V ˆ 1 ∂V ˆ ∇V = rˆ + θ+ φ ∂r r ∂θ r sin θ ∂φ • a parole: – la direzione della più “rapida diminuzione” di V, (massima pendenza), è la direzione del campo E in quel punto, e l’intensità (modulo) di E è esattamente la pendenza. • Analogia con la gravità: – Consideriamo il caso di un “paesaggio” (valli e monti)-- una palla accelera verso il basso, e la componente della forza gravitazionale che agisce sulla palla è il “gradiente” lungo il “terreno scosceso”. La palla inizia a muoversi lungo la direzione della maggiore pendenza. – Lasciando la palla il gradiente 3-D del potenziale gravitazionale punta verso il centro della Terra, ed è la forza dovuta alla gravità. Calcolo di E da V: Esempio • Consideriamo il seguente potenziale elettrico: V(x, y, z) = 3x 2 + 2xy − z2 • Quale campo elettrico descrive ? ∂V Ex = − = −6 x − 2 y ∂x Ey = − ... esprimendolo come un vettore: si ha: ∂V = −2 x ∂y Ez = − ∂V = 2z ∂z ∂V ∂V ∂V ∇V = xˆ + yˆ + zˆ ∂x ∂y ∂z E = ( − 6 x − 2 y ) xˆ − 2xŷ + 2 zẑ In definitiva ... Se conosciamo il campo E ovunque, W AB VB − V A ≡ q0 ⇒ VB − V A = − ∫ E • dl B A possiamo calcolare la funzione potenziale V ovunque (si rammenti, che spesso definiamo VA = 0 in qualche punto (∞)) Se conosciamo la funzione potenziale V ovunque, E = −∇ V possiamo calcolare il campo elettrico E ovunque • Unità di misura del Potenziale V = J/C • Unità di misura del Campo Elettrico V/m