LE LEGGI DEL MONDO FISICO

RIFLETTIAMO SULLE ESPERIENZE QUOTIDIANE PER SPIEGARE CON PAROLE SEMPLICI E CON QUALCHE FORMULA LE LEGGI SCRITTE DA DIO NELLA STRUTTURA DEL MONDO FISICO

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Webmaster ed Autore: Prof. Antonino Cucinotta
Dottore in Fisica
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LA PRIMA LEGGE DELLA DINAMICA (PRINCIPIO D'INERZIA DI GALILEI-NEWTON)

L'IMPULSO DI UNA FORZA E LA QUANTITA' DI MOTO DI UN CORPO

LA SECONDA LEGGE DELLA DINAMICA (LEGGE DI GALILEI-NEWTON)

LA TERZA LEGGE DELLA DINAMICA (PRINCIPIO DI AZIONE E REAZIONE DI NEWTON)

LA LEGGE DI GRAVITAZIONE UNIVERSALE

LA LEGGE GALILEIANA DI CADUTA DEI GRAVI

IL PRINCIPIO DI RELATIVITA' DI GALILEO

IL PRINCIPIO DI EQUIVALENZA DI EINSTEIN TRA MOTI ACCELERATI E CAMPI GRAVITAZIONALI)

IL TEOREMA DELLE FORZE VIVE (TEOREMA LAVORO-ENERGIA)

ILPRINCIPIO DI CONSERVAZIONE DELLA QUANTITA' DI MOTO

LA SECONDA LEGGE DELLA DINAMICA DEI SISTEMI MATERIALI IN MOTO ROTATORIO

IL PRINCIPIO DI CONSERVAZIONE DEL MOMENTO ANGOLARE

L'ATTRITO

LA RESISTENZA IDRODINAMICA

LA RESISTENZA AERODINAMICA

IL PRINCIPIO DI PASCAL

I PRINCIPI DI ARCHIMEDE E DI STEVINO

IL PRINCIPIO DI CONSERVAZIONE DELLA MASSA

LA PROPAGAZIONE DEL CALORE

IL PRINCIPIO DI CONSERVAZIONE DELL'ENERGIA ED I PRINCIPI DELLA TERMODINAMICA

TRASFORMAZIONI DI CALORE IN LAVORO MECCANICO

L'UNIFICAZIONE RELATIVISTICA DEI PRINCIPI DI CONSERVAZIONE DELLA MASSA E DELL'ENERGIA

I CAMPI ELETTRICI

IL LAVORO DELLE FORZE ELETTRICHE>

LE LEGGI DI OHM E DI JOULE

I CAMPI MAGNETICI

LA LEGGE DI AMPERE (TEOREMA DELLA CIRCUITAZIONE MAGNETICA)

LA LEGGE DI FARADAY-NEUMANN (LEGGE DI INDUZIONE ELETTROMAGNETICA)

FORZE ELETTROMAGNETCHE (DI LORENTZ) AGENTI SU CARICHE ELETTRICHE IN MOTO IN CAMPI MAGNETICI

FORZE ELETTROMAGNETICHE AGENTI SU CIRCUITI ELETTRICI SOGGETTI A CAMPI MAGNETICI

FORZE ELETTROMAGNETICHE (ELETTRODINAMICHE) AGENTI TRA CIRCUITI ELETTRICI

L'ELETTROMAGNETISMO DI MAXWELL

I CAMPI ELETTROMAGNETICI E LA PROPAGAZIONE DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE

LE LEGGI DI RIFLESSIONE E RIFRAZIONE DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE

LA POLARIZZAZIONE DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE

L'INTERFERENZA DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE

LA DIFFRAZIONE DELLE ONDE ELETTROMAGNETICHE

L'EFFETTO DOPPLER

FORZE ELETTROMAGNETCHE (DI LORENTZ) SU CARICHE ELETTRICHE IN MOTO IN CAMPI MAGNETICI

Quando una carica elettrica si muove con velocità v in un campo magnetico di intensità H, è soggetta ad una forza (di Lorentz) perpendicolare al piano individuato dalle linee di forza del campo magnetico e dalla linea di moto (direzione istantanea della velocità),con un'intensità data dalla formula: F = k q v H, dove k è una costante di proporzionalità che dipende dal materiale in cui si muove la carica e dal sistema di unità di misura utilizzato (nel sistema internazionale M.K.S.A. e nel vuoto (in pratica anche nell'aria), k coincide con la cosiddetta permeabilità magnetica del vuoto mo = 4 p 10-7 Henry/metro).
La forza di Lorentz agisce sia sugli elettroni in moto nei circuiti elettrici (gli elettroni che costituiscono la corrente elettrica) sia su qualsiasi particella carica in moto nell'aria o nello spazio vuoto.
Se una particella carica si muove con una velocità perpendicolare alle linee di forza del campo magnetico, la forza di Lorentz costituisce la forza centripeta che fa deviare continuamente la particella dalla linea istantanea di moto, in modo tale che la traiettoria sia una circonferenza giacente in un piano perpendicolare alle linee di forza del campo magnetico.
Se, in generale, una particella carica si muove con una velocità in direzione obliqua rispetto alle linee di forza del campo magnetico, la componente della velocità in direzione perpendicolare al campo magnetico determina l'intensità della forza di Lorentz, mentre la componente della velocità nella direzione del campo magnetico,fa traslare con velocità costante il piano della traiettoria circolare.
Pertanto, per il principio galileiano della composizione dei moti, la particella carica descrive un moto elicoidale (a spirale) avente per asse la direzione del campo magnetico.

Alcuni esempi

Il flusso delle particelle del vento solare (protoni ed elettroni di alta energia) interagisce con il campo magnetico terrestre, che, per effetto della forza di Lorentz, le costringe a descrivere traiettorie a spirale lungo le linee di forza dirette dal polo magnetico Nord al polo magnetico Sud.

Pertanto elettroni e protoni vengono intrappolati dal campo magnetico terrestre dando origine alle due fasce radioattive di Van Allen, rilevate nel 1958 dai primi satelliti artificiali statunitensi (serie Explorer).
In tal modo si costituisce uno schermo biologico naturale che attenua fortemente il flusso delle particelle ionizzanti solari che investono la superficie terrestre.

L'interazione delle particelle del vento solare con il campo magnetico terrestre è responsabile delle aurore polari che si osservano in coincidenza con notevoli aumenti periodici dell'attività solare (macchie solari e tempeste magnetiche).
Negli acceleratori circolari di particelle elementari (ciclotroni, elettrosincrotroni, protosincrotroni ed anelli di accumulazione), la forza di Lorentz generata dall'interazione delle particelle cariche con intensi campi magnetici, determina il raggio R della traiettoria circolare e quindi le dimensioni dell'acceleratore in funzione della massa M e della carica q delle particelle e dell'intensità H del campo magnetico:
(forza centripeta = MV2/R) = (forza di Lorentz = k qVH);
R =
MV/(kqH), dove k è la costante di proporzionalità della legge di Lorentz.
Pertanto sono necessari campi magnetici intensissimi, generati da magneti superconduttori mantenuti a bassissima temperatura (qualche decina di gradi Kelvin) per ridurre le dimensioni ed il costo degli acceleratori, compatibilmente con le altissime energie (1000 Gev) da ottenere.
Gli acceleratori circolari in funzione al CERN di Ginevra ed al FERMILAB di Chicago hanno circonferenze di alcune decine di km.

FORZE ELETTROMAGNETICHE SU CIRCUITI ELETTRICI SOGGETTI A CAMPI MAGNETICI

La forza di Lorentz che agisce sugli elettroni che costituiscono la corrente elettrica in un conduttore, determina la forza macroscopica che agisce sul conduttore quando esso è immerso in un campo magnetico di intensità H.
La forza magnetica F = k I L H è diretta perpendicolarmente al piano individuato dal filo e dalla direzione del campo magnetico ed ha intensità proporzionale all'intensità di corrente I, alla lunghezza L del conduttore ed all'intensità H del campo magnetico ( k è la costante di proporzionalità della formula di Lorentz).

La trasformazione dell'energia elettrica in energia meccanica in un motore elettrico è possibile grazie al fatto che le forze elettromagnetiche che agiscono sui conduttori dell'avvolgimento del rotore per effetto del campo magnetico generato dallo statore, generano altrettante coppie di forze la cui risultante costituisce la coppia motrice sviluppata dalla macchina elettrica.

FORZE ELETTROMAGNETICHE (ELETTRODINAMICHE) TRA CIRCUITI ELETTRICI

Anche le forze elettrodinamiche macroscopiche che agiscono tra i conduttori di un circuito elettrico (per esempio tra le spire degli avvolgimenti di elettromagnete, di un motore elettrico,di una dinamo,di un alternatore o di un trasformatore) sono dovute, a livello microscopico, alla forza di Lorentz agente sugli elettroni di conduzione.
Tali forze, che si possono sempre ridurre ad una forza risultante e ad una coppia risultante, sono descritte dalle leggi di Ampere.
Nel caso particolarmente semplice di due conduttori rettilinei e paralleli, di lunghezza L, percorsi dalle correnti di intensità I1 e I2,posti nel vuoto (in pratica, anche nell'aria) alla distanza d l'uno dall'altro, la forza elettrodinamica è direttamente proporzionale al prodotto delle intensità di corrente I1 e I1 ed alla lunghezza L, ed inversamente proporzionale alla distanza d:
F = k I1I2 L/(2pd), dove k è la costante di proporzionalità della legge di Lorentz.

Se,in particolare, i due conduttori sono percorsi dalla stessa corrente (spire di un avvolgimento),la forza elettrodinamica dipende dal quadrato dell'intensità di corrente).

L'ELETTROMAGNETISMO DI MAXWELL

La legge di Ampere fu generalizzata da Maxwell, il quale, esclusivamente con elaborazioni fisico-matematiche, dedusse che un campo magnetico variabile può essere generato,oltrechè da una corrente che fluisce in un circuito elettrico, anche da un campo elettrico variabile presente nello spazio vuoto, privo di cariche elettriche e di circuiti elettrici.
Per analogia con il campo magnetico generato da cariche in moto nel vuoto e da circuiti elettrici, Maxwell introdusse le cosiddette "correnti di spostamento" nei dielettrici (isolanti),associate a campi elettrici variabili nel tempo.
Pertanto, come esistono linee di forza magnetiche concatenate ad un circuito elettrico, così esistono anche linee di forza magnetiche concatenate ad un campo elettrico variabile.
Maxwell, sulla base dei principi fondamentali che governano i fenomeni elettrici e magnetici (legge di Coulomb,legge di Ampere e legge di Faraday-Neumann), riuscì ad elaborare la sua teoria dei fenomeni elettromagnetici,fornendo una geniale ed elegante trattazione unitaria dei fenomeni elettrici e magnetici, attraverso quattro equazioni fondamentali (equazioni di Maxwell), espresse sia in forma differenziale, cioè riferite a zone spaziali infinitesime interessate dai fenomeni elettromagnetici, sia in forma integrale, più comprensibile e più adatta alla descrizione dei fenomeni elettromagnetici osservabili in laboratorio.
La prima equazione,equivalente al teorema di Gauss, è ricavabile partendo dalla legge di Coulomb,ed esprime che il flusso del campo elettrico (numero delle linee di forza del campo elettrico)uscente da una superficie chiusa contenente una o più cariche elettriche, è direttamente proporzionale alla somma algebrica di tutte le cariche elettriche positive e negative, in quiete, poste in determinati punti dello spazio racchiuso dalla superficie considerata.
Per esempio, se si considerano, in particolare,una sfera o una superficie cilindrica contenenti cariche elettriche,è possibile, attraverso la prima equazione di Maxwell, calcolare l'intensità del campo elettrostatico generato dalle cariche, sia all'interno che all'esterno della superficie considerata.
La seconda equazione si riferisce alla proprietà caratteristica del campo magnetico, le cui linee di forza sono sempre chiuse, in quanto non esistono poli magnetici isolati.
Pertanto,se si considera una superficie chiusa all'interno della quale siano posti dei magneti o dei circuiti elettrici,il numero delle linee di forza magnetiche uscenti è sempre uguale al numero di quelle entranti,poichè le linee di forza che hanno origine all'interno della superficie rientrano sempre nella superficie terminando negli stessi punti in cui hanno origine.
La terza equazione corrisponde alla legge d'induzione elettromagnetica (di Faraday-Neumann), che implica sempre l'esistenza di un campo elettrico variabile lungo un percorso chiuso qualsiasi (circuito elettrico o linea chiusa tracciata nello spazio vuoto) attraversato dalle linee di forza di un campo magnetico variabile in funzione del tempo.
La quarta equazione corrisponde alla generalizzazione della legge di Ampere per il campo magnetico generato sia da cariche elettriche in moto nel vuoto, nei liquidi, nei gas e nei conduttori(correnti elettriche) che da "correnti di spostamento", cioè da campi elettrici variabili nel tempo.
Pertanto esiste sempre un campo magnetico lungo un percorso chiuso (nella materia o nello spazio vuoto) che sia attraversato da cariche elettriche in moto (correnti elettriche) o dalle linee di forza di un campo elettrico elettrico variabile nel tempo.
Il risultato più importante della teoria elettromagnetica di Maxwell consiste nel fatto che le quattro equazioni del campo elettromagnetico implicano l'esistenza di onde elettromagnetiche che si propagano nello spazio vuoto con una velocità pari a quella della luce (300000 Km/s), trasportando energia e quantità di moto di natura elettromagnetica.
Da questo risultato Maxwell fu indotto ad enunciare la natura elettromagnetica di tutti i fenomeni luminosi (teoria elettomagnetica della luce).
La sua intuizione fu brillantemente confermata verso la fine del XIX secolo dai brillanti esperimenti di Hertz sulle onde elettromagnetiche (onde hertziane).
Hertz riuscì a produrre con le onde elettromagnetiche fenomeni di riflessione, rifrazione, interferenza, diffrazione e polarizzazione analoghi a quelli che si producono con le onde luminose.

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