Il campo elettrostatico

Il campo
elettrostatico
A cura di Lorenzo Di Mauro, Luca Martinelli,
Cristiano Cecere e Fabio Cataneo.
CLASSE 4° A liceo scientifico
DOCENTE: RUSSO LUCIA
A cura di: Lorenzo Di Mauro, Luca Martinelli,
Cristiano Cecere e Fabio Cataneo.
Classe: 4A L.S.
Docente: Lucia Russo.
Il campo elettrostatico (o campo elettrico)
è un campo di forze generato da una carica
elettrica generatrice Q. Essa modifica le
caratteristiche dello spazio che la circonda.
Il vettore campo elettrico (simbolo E) è la
grandezza vettoriale espressa in N/C o
V/m che descrive l’interazione elettrica in
un punto P del campo elettrico in cui non si
trovi alcuna carica.
Per calcolare il vettore campo elettrico,
bisogna innanzitutto porre una carica di
prova q+ nel punto P scelto
Proprietà linee del campo elettrico:
- in ogni punto sono tangenti al
vettore campo elettrico.
- sono orientate nel verso del vettore
campo elettrico.
- escono dalle cariche positive ed
entrano in quelle negative.
- la loro densità è direttamente
proporzionale all’intensità del campo
elettrico.
Il flusso di campo elettrico ϕ, la cui unità di misura è
N/C∙m2, è il prodotto scalare del vettore campo elettrico per
il vettore superficie.
Φ = E × S = E ∙ S ∙ cosα.
Il vettore superficie S possiede alcune proprietà: modulo
proporzionale all’area della superficie, direzione
perpendicolare alla superficie, verso uscente o entrante alla
superficie.
Il teorema di Gauss per il campo elettrico stabilisce che il
flusso del campo elettrico attraverso una superficie chiusa è
direttamente proporzionale alla carica totale contenuta
all’interno della superficie.
Nel caso in cui il campo elettrico
è generato da un piano infinito
composto di cariche osserviamo
che:
• direzione del vettore campo
elettrico sempre perpendicolare
al piano.
• verso del vettore campo
elettrico uscente dal piano se le
cariche che formano il piano
sono positive o entrante se esse
sono negative.
• modulo vettore campo
elettrico = λ / 2πϵ0r
Se il campo è generato da un
infinito filamento di carica si
constata che:
• direzione del vettore campo
elettrico è sempre perpendicolare
al filamento
• verso del vettore campo elettrico
uscente se le cariche generatrici
sono positive o entrante se esse
sono negative.
• modulo vettore campo elettrico =
λ / 2πϵ0r
L’energia potenziale U, misurata in J, corrisponde al lavoro
necessario ad una forza F per spostare una carica Q di un
campo elettrico da un suo punto A verso il limite del campo
elettrico.
Il potenziale elettrico V, che si esprime in Volt, è uguale al
rapporto tra l’energia potenziale U (dovuta all’interazione di
ciascuna delle cariche che generano il campo con la carica
di prova Q posta in un punto A del campo) e la stessa carica
di prova Q.
La differenza di potenziale elettrico ∆V è definita come la
differenza tra il potenziale elettrico di due punti dello
spazio.
Le cariche positive passano spontaneamente da punti a
potenziale più alto verso punti a potenziale più basso. Le
cariche negative, invece, passano spontaneamente da punti
a potenziale più basso verso punti a potenziale più alto.
L’Ampere (A) è l’unità di misura
usata per quantificare l’intensità
della corrente elettrica. Esso
esprime l’intensità di corrente
all’interno di un conduttore
attraversato per intero dalla
carica di 1C in 1s.
L’Amperora (Ah) è la quantità
di carica che scorre in 1h con
l’intensità di un ampere in 1A
all’interno di un filo conduttore.
Il Volt (V) è l’unità di misura
derivata S.I. del potenziale
elettrico. Esso equivale a J/C e
fu introdotta alla fine del 1800
da parte di Alessandro Volta.
Il Volt (V) è un’unità di
grandezza applicata nel
calcolo della potenza
elettromotrice.
Moltiplicando la differenza
di potenziale (V) per
l’intensità di corrente (A) si
ottiene la potenza (W).
La differenza di potenziale
tra un punto A ed un punto
B è di 1V quando,
spostando da A a B una
carica di 1C, l’energia
potenziale varia di 1J.
Si chiama superficie equipotenziale il luogo dei punti dello
spazio in cui il potenziale elettrico assume uno stesso valore.
In ogni punto, la superficie equipotenziale è perpendicolare
alla linea di campo che passa per quel punto.
E’ possibile calcolare il vettore campo elettrico E in un punto
dello spazio se si conosce l’andamento del potenziale
elettrico nei dintorni di quel punto. Innanzitutto ci
concentriamo su una zona di spazio abbastanza piccola da
essere considerata uniforme.
E
verso = essendo uniforme il campo elettrico, punta nel senso in cui il potenziale diminuisce.
direzione = perpendicolare alla superficie equipotenziale, essendo uniforme il campo elettrico e
piane-parallele le superfici equipotenziali.
modulo = -∆V/∆s
Un campo è detto conservativo se le forze del campo sono conservative, cioè
se il lavoro che esse compiono in un percorso chiuso L è nullo.
Dopo aver diviso il percorso L in n spostamenti parziali tanto piccoli da essere
considerati rettilinei e calcolato il lavoro relativo ad ogni vettore spostamento S
(ognuno riferito al proprio spostamento parziale),
circuitazione Γ = F1 x S1 + F2 x S2 + … + Fn x Sn = ∑ F x S
= -∑∆V = 0
La circuitazione del campo elettrico è nulla, qualunque sia il cammino
orientato lungo il quale essa è calcolata. Questa proprietà esprime in modo
matematico il fatto che il campo elettrico è conservativo.
La Terra possiede una carica elettrica negativa di
circa 500.000 C.
Il potenziale elettrico del nostro pianeta aumenta
allontanandoci dal suolo.
Il valore vettore campo elettrico, invece, dipende
strettamente dalla conduttività dell’aria: decresce
quando questa aumenta, quindi salendo in altezza.
Tra suolo e atmosfera esiste una differenza di
potenziale. Inoltre fra loro viene a generarsi corrente
verticale diretta verso il basso che ha valore medio di
10-12 A/m2.
A causa di ciò, la carica negativa della terra non
potrebbe mantenersi. Essa deve essere
costantemente alimentato con cariche elettriche
negative e ciò avviene soprattutto grazie a temporali.
Nelle nubi temporalesche la parte superiore risulta elettrizzata
positivamente, mentre quella inferiore negativamente. Per
induzione, il suolo assume una carica positiva venendosi a
creare una situazione invertita rispetto alla normalità.
In queste condizioni il vettore campo elettrico può arriva a
valori elevatissimi (10000 V/m e più).
Gli alti livelli di elettrizzazione in contesti temporaleschi
dipendono da una netta e forte separazioni tra cariche positive e
negative. Questa disposizione è causata da: cambiamenti di
stato, cattura selettiva degli ioni da parte delle goccioline
d’acqua e cristalli di ghiaccio, forti moti ascendenti e
discendenti e effetto Lenard.
In media, sulla terra in un istante si possono contare da 15002000 temporali e il suolo viene colpita da 50-100 fulmini,
apportando una carica negativa equivalente a una corrente
media di circa 1000 A.
Il fulmine è un fenomeno elettrostatico generata dalle
particelle negative delle nuvole che vengono attratte
dalle particelle positive presenti nel suolo. Dalla nuvola
ha inizio un canale ionizzato, detto canale di pre-scarica;
quando il canale ionizzato raggiunge il punto di contatto
con il suolo, una elevata corrente (dovuta alla scarica di
ritorno) fluisce verso la Terra. Un fulmine può anche
essere considerato come una colonna di gas ionizzato
(plasma).
Il tuono è un'onda d'urto rumorosissima, generato
dall’espansione del canale ionizzato durante un fulmine.
Un lampo nasce dalla differenza di potenziale tra la
parte superiore (dove si posizionano le cariche positive)
ed inferiore (in cui troviamo le cariche negative) di una
nube in cui le cariche elettriche positive e negative si
separano.
FINE