Fisica C3, Elettromagnetismo, relatività e quanti

Fisica C3 - Elettromagnetismo, Relatività e Quanti

Fisica C3

Magnetismo, Relatività, Quantistica, Radioattività

Autori

Prima stesura: Massimo Macchioro

Revisione e integrazioni: Annarita Lorenzo

Coordinamento editoriale: Antonio Bernardo

Immagini realizzate da Ginger Lab - www.gingerlab.it

© Matematicamente.it

www.matematicamente.it - info@matematicamente.it

Gennaio 2013

ISBN 978-88-96354-36-0

Progetto Educationalab

Mobility IT srl

Questo libro è rilasciato con licenza

Creative Commons BY-NC-SA

–

Attribuzione Non commerciale - Condividi allo stesso modo 3.0

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/legalcode

versione del 16/03/2013

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Fisica C3 - Elettromagnetismo, Relatività e Quanti

Presentazione

Questo ebook fa parte di una collana di ebook con licenza Creative

Commons BY-SA per la scuola. Il titolo Fisica C3 vuole indicare che il

progetto è stato realizzato in modalità Collaborativa e con licenza

Creative Commons, da cui le tre “C” del titolo. Non vuole essere un

trattato completo sull’argomento ma una sintesi sulla quale l’insegnante

può basare la sua lezione, indicando poi testi e altre fonti per gli

approfondimenti. Lo studente può consultarlo come riferimento

In sostanza l’idea è stata

essenziale da cui partire per approfondire.

quella di indicare il nocciolo essenziale della disciplina, nocciolo

largamente condiviso dagli insegnanti. La licenza Creative Commons

scelta permette non solo di fruire liberamente l’ebook ma anche di

e personalizzarlo secondo le esigenze dell’insegnante e

modificarlo

della classe. Chiunque può contribuire a migliore questo ebook,

segnalando integrazioni, modifiche e sviste al coordinatore del progetto

antoniobernardo@matematicamente.it.

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Fisica C3 - Elettromagnetismo, Relatività e Quanti

INDICE

Presentazione .......................................................................................... 3

1. CAMPO MAGNETICO ..................................................................... 7

1.1 Sorgenti del campo magnetico ...................................................... 7

1.2 Azione del campo magnetico su una carica in movimento........... 8

1.3 Moto di una carica in un campo magnetico ................................ 10

1.4 Azione del campo magnetico su un filo percorso da corrente .... 12

1.5 Interazione tra fili percorsi da corrente ....................................... 13

1.6 Rotazione di una spira in un campo magnetico .......................... 14

1.7 Campi magnetici generati da correnti e legge di Biot Savart ..... 16

1.8 Teorema della circuitazione di Ampère ...................................... 19

1.9 Teorema di Gauss per il magnetismo.......................................... 21

1.10 Magnetismo nella materia ......................................................... 23

Approfondimenti ............................................................................... 27

2. INDUZIONE ELETTROMAGNETICA .......................................... 28

2.1 Aspetti qualitativi dell’induzione elettromagnetica .................... 28

2.2 Legge di Faraday - Neumann e legge di Lenz ............................ 30

2.3 Origine della f.e.m. indotta e f.e.m. cinetica ............................... 32

2.4 Induttanza .................................................................................... 35

2.5 Autoinduzione e circuito RL ....................................................... 37

2.6 Energia del campo magnetico ..................................................... 40

2.7 Corrente alternata ........................................................................ 42

Produzione di una f.e.m. e di una corrente alternata .................... 42

Diagramma a fasori ....................................................................... 43

Circuito puramente resistivo ......................................................... 44

I valori efficaci .............................................................................. 46

Circuito puramente capacitivo ...................................................... 47

Circuito puramente induttivo ........................................................ 48

Circuito RLC in serie .................................................................... 49

2.8 Mutua induzione e trasformatori ................................................. 53

Approfondimenti ............................................................................... 55

3. ONDE ELETTROMAGNETICHE ED EQUAZIONI DI

MAXWELL .......................................................................................... 56

3.1 Campo magnetico variabile nel tempo ....................................... 56

3.2 Campo elettrico variabile nel tempo ........................................... 57

3.3 Equazioni di Maxwell ................................................................. 59

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Fisica C3 - Elettromagnetismo, Relatività e Quanti

3.4 Circuito LC ................................................................................. 60

3.5 Onde elettromagnetiche .............................................................. 63

Approfondimenti ............................................................................... 69

4. RELATIVITÀ ................................................................................... 70

4.1 Inconciliabilità tra la teoria elettromagnetica di Maxwell e la

legge di composizione classica delle velocità ................................... 70

4.2 Teoria dell’etere ed esperimento di Michelson - Morley ............ 70

4.3 Le trasformazioni di Lorentz ...................................................... 73

4.4 I postulati della relatività ristretta ............................................... 74

4.5 Dilatazione dei tempi e contrazione delle lunghezze .................. 75

4.6 Relatività della simultaneità ........................................................ 78

4.7 Lo spazio-tempo e la relazione causa-effetto tra due eventi ....... 80

4.8 Composizione relativistica delle velocità ................................... 83

4.9 Massa ed energia relativistica ..................................................... 84

4.10 Relatività generale .................................................................... 87

Primo caso ..................................................................................... 88

Secondo caso ................................................................................. 89

4.11 Lo spazio-tempo nella relatività generale ................................. 89

4.12 Gravità, luce e tempo ................................................................ 93

Approfondimenti ............................................................................... 95

5. FISICA QUANTISTICA .................................................................. 96

5.1 Origine della Fisica dei quanti .................................................... 96

5.2 La radiazione di corpo nero ........................................................ 96

5.3 Effetto fotoelettrico ................................................................... 102

5.4 Effetto Compton........................................................................ 107

5.5 Dualismo onda-corpuscolo ....................................................... 109

5.6 Il principio di indeterminazione di Heisenberg e la funzione

d’onda ............................................................................................. 111

5.7 Modello atomico di Bohr e spettri di emissione a righe dei gas113

5.8 Modello quantistico dell’atomo di idrogeno ............................. 117

5.9 Atomi con molti elettroni .......................................................... 120

Approfondimenti ............................................................................. 122

6. FISICA NUCLEARE, RADIOATTIVITÀ, PARTICELLE

ELEMENTARI ................................................................................... 123

dell’atomo

6.1 Il nucleo .................................................................. 123

6.2 Radioattività .............................................................................. 124

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6.3 Fissione e fusione nucleare ....................................................... 127

6.4 Le forze fondamentali della natura ........................................... 129

6.5 Particelle elementari.................................................................. 129

6.6 I quark ....................................................................................... 134

6.7 Modello standard ...................................................................... 136

Approfondimenti ............................................................................. 138

Indice delle immagini Creative Commons utilizzate ...................... 139

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Fisica C3 - Elettromagnetismo, Relatività e Quanti

1. CAMPO MAGNETICO

1.1 Sorgenti del campo magnetico

Fin dall’antichità è nota la proprietà della magnetite (un particolare

ossido del ferro) di attirare il ferro.

Una sbarretta cilindrica di magnetite costituisce un esempio di magnete

permanente, cioè di un corpo che possiede naturalmente la proprietà di

interagire col ferro o con altri corpi magnetizzati.

Un magnete permanente è caratterizzato dalla presenza di due poli, nord

(N) e sud (S): avvicinando polarità di segno uguale (N - N o S - S) due

magneti si respingono, mentre avvicinando polarità di segno opposto (N

- S) i magneti si attraggono.

I poli magnetici sono indivisibili, infatti spezzando il magnete in due

parti non si riescono a separare i poli, bensì si ottengono due magneti

più piccoli, entrambi caratterizzati dalla presenza delle polarità N - S.

Per giustificare l’interazione magnete-ferro e magnete-magnete, si

introduce il concetto di campo magnetico, come la modifica delle

proprietà dello spazio causata dalla presenza di un magnete permanente.

Per esplorare il campo magnetico, si può fare ricorso a un semplice

dispositivo, detto ago magnetico, il quale è costituito da una lamina

di ruotare attorno a un perno. Quando l’ago è

magnetizzata libera

immerso in un campo magnetico, esso è soggetto a una coppia di forze

che lo fa ruotare finché il suo polo nord non punterà verso il sud del

magnete sorgente, disponendosi tangenzialmente alla linea del campo

passante per quel punto.

Il più comune esempio di ago magnetico è quello della bussola, che si

orienta secondo il campo magnetico terrestre (anche la Terra è un

esempio di magnete permanente): il nord della bussola punta verso il

nord geografico, nelle cui vicinanze è situato il sud magnetico.

Riguardo alle linee di campo generate da magneti permanenti, si nota

che esse sono linee chiuse uscenti dal polo nord ed entranti nel polo

sud; esse sono più fitte in prossimità dei poli e più diradate

lateralmente, dimostrando che il campo è più intenso in prossimità dei

poli. 7

Fisica C3 - Elettromagnetismo, Relatività e Quanti

Linee del campo magnetico di una sbarretta cilindrica magnetizzata.

Si noti il verso delle linee, uscenti dal polo nord ed entranti nel polo

sud, e la maggiore densità di linee in prossimità dei poli.

Nel 1821 il fisico danese Oersted scoprì accidentalmente un fenomeno

destinato a cambiare radicalmente le conoscenze dell’epoca

sull’elettricità e sul magnetismo: egli notò che avvicinando a una

da corrente, l’ago della bussola viene deviato

bussola un filo percorso

dalla sua posizione, dimostrando che anche le cariche in movimento

generano un campo magnetico.

Inoltre è stato verificato che una carica in movimento, purché in

subisce l’azione di una

direzione non parallela alle linee del campo,

forza che ne modifica la traiettoria.

Pertanto possiamo definire più in generale il campo magnetico come la

modifica delle proprietà dello spazio causata dalla presenza di magneti

permanenti o cariche in movimento, la cui azione si manifesta su altri

corpi magnetizzati o su altre cariche in movimento.

Il campo magnetico è una grandezza vettoriale e si indica col simbolo

.

1.2 Azione del campo magnetico su una carica in movimento