realizzato da Alessandra, Alessia e Bianca della 1Es
COSTRUZIONE DEL TORCHIO IDRAULICO
ESPERIMENTO ESEGUITO DA Alessandra Toffoli, Giulia Corazza, Francesco Beatrizzotti, Alessandro Pajer, Alberto Sari, Giovanna Tellan della classe 1Es del liceo Leopardi Majorana di Pordenone. Il video è stato realizzato da Francesco Beatrizzotti.
La MATERIA è SOLIDA (se ha una sua forma) o FLUIDA (se assume la forma del contenitore) I FLUIDI a loro volta sono LIQUIDI (se hanno un loro volume) E GAS (se si occupano tutto lo spazio del loro contenitore e non hanno un loro volume)
Data una forza "premente" che agisce perpendicolarmente su una superficie S, La PRESSIONE è data dal rapporto tra la forza premente e la superficie. p=F/S
è una grandezza scalare che esprime la forza su unità di superficie.
UNITA' DI MISURA nel S.I. : 1Pa=1N/1m² La pressione aumenta quando la forza è esercitata su una piccola superficie (es: spillo premuto su un palloncino) PRINCIPIO DI PASCAL: Un fluido in equilibrio esercita una pressione uguale in tutte le direzioni. Le forze di pressione agiscono perpendicolari alle superfici del contenitore. Video Rai Scuola : IL PRINCIPIO DI PASCAL
Noi viviamo immersi in un fluido (l'aria dell'atmosfera) e quindi siamo sottoposti ad una pressione detta PRESSIONE ATMOSFERICA. INfatti come scoperto da Galilei l'aria ha un peso.
La pressione atmosferica vale circa centomila Pascal. Quindi la colonna d'aria pesa circa 10000Kgp su ogni metro quadrato. Sono circa 10 N/cm².
Si usa anche 1 bar= 10^5 Pa
Perchè i corpi e noi non rimaniamo schiacciati da questa grande pressione?
Perchè la pressione che agisce su di noi è uguale alla pressione che agisce dentro di noi.
Se aspiriamo l'aria interna ad un contenitore , questo rimane schiacciato dalla pressione atmosferica.
vedi il seguente esperimento dell'"Implosione della lattina"
Lo
spettro elettromagnetico è l'insieme continuo di tutte le radiazioni al
variare della frequenza (lunghezza d'onda) Al crescere della frequenza
troviamo le onde RADIO, le onde TV e MICROONDE, gli INFRAROSSI, il
VISIBILE (suddiviso nei vari colori dal rosso al violetto), gli
ULTRAVIOLETTI, i RAGGI X e i RAGGI GAMMA.
ONDE RADIO e ONDE TV
𝜆=100Km - 10cm
La lunghezza d'onda da può variare da 1cm a 10⁵m=100Km circa. Sono tutte le onde elettromagnetiche che si possono produrre artificialmente con circuiti o apparati elettrici.
Le onde utilizzate nelle trasmissioni radio locali FM hanno frequenze tra 90Mhz e110 MHz e lunghezza d'onda di circa 1 m. Ad esempio 89 MHz è la frequenza di radio DJ ha lunghezza d'onda data da 𝜆=c/f=10⁸/89∙10⁶=100/89=1,12m. NB: L'antenna della radio è lunga circa 60cm cioè 𝜆/2. Questa lunghezza d'onda permette di superare ostacoli dello stesso ordine di grandezza (circa 1 m). Tali onde sono riflesse dagli strati di ioni presenti nell’alta atmosfera, il che rende possibile la trasmissione di segnali a grande distanza da un punto all’altro della superficie terrestre.
Quelle con lunghezza d’onda piuttosto grande 𝜆>100m possono aggirare per diffrazione ostacoli di dimensioni non troppo grandi, come alberi e case. Possono esser invece riflesse da colline. Le onde per la TV e per i cellulari hanno lunghezza d'onda più piccola e sono facilmente riflesse e per questo hanno bisogno di opportuni ripetitori.
ONDE RADAR- MICROONDE 𝜆=10cm a 1mm Tali onde non sono riflesse dalla ionosfera e quindi costituiscono il mezzo ideale per le comunicazioni spaziali e per i collegamenti con i satelliti. A causa della piccola lunghezza d’onda vengono riflesse da ostacoli abbastanza piccoli come case, aerei in movimento ecc.
Per questo sono sfruttate per i funzionamento dei Radar. Nel Radar viene generato un'onda elettromagnetica che incontrando un ostacolo (ad esempio un aereo) si riflette e torna indietro al ricevitore. Misurando il tempo di andata e ritorno si può stabilire la posizione dell'ostacolo.
Vengono usate anche dai cellulari e alcune trasmissioni TV. I cellulari e i dispositivi wi-fi usano le stesse frequenze intorno ai 3GHz.
Questo tipo di onde non possono essere usate per trasmissioni poste sulla superficie terrestre a distanze superiori al centinaio di chilometri in quanto non seguono la curvatura terrestre (in tal caso si usano i ripetitori oppure i satelliti geostazionari). Nei forni a microonde mettono in oscillazione per risonanza le molecole polari d'acqua presenti nel cibo trasformando l'energia dell'onda in calore. La frequenza è di circa 2,45 Ghz con una lunghezza d'onda corrispondente di circa 12cm. La grata metallica posta sul vetro dello sportello è uno schermo di Faraday che impedisce alle onde di fuoriuscire dal forno. Le microonde del forno possono risultare pericolose per l'uomo perchè hanno potenza di 1000W. Il rischio è quello di ustionarsi.
INFRAROSSI 𝜆=1mm-700nm
A causa dell’elevata frequenza è difficile ottenere queste radiazioni con circuiti oscillanti cioè artificialmente. Vengono prodotte dalle OSCILLAZIONI TERMICHE DEGLI ATOMI; esse provengono quindi da tutti i corpi con una certa temperatura e, in particolare dai CORPI CALDI. Sono dette anche radiazioni termiche. Sono quelle che emesse dal Sole ci scaldano per irragiamento. Invisibili possono venire percepite al tatto come calore e impressionano particolari pellicole fotografiche.
Vista la lunghezza d’onda superiore a quella della luce, possono AGGIRARE PICCOLE PARTICELLE in sospensione nell’atmosfera (vedi fenomeno diffrazione) e per questo motivo vengono usate per fotografare in caso di nebbia. Ovviamente sono utili per vedere al buio persone e animali e in generale corpi caldi (vedi telecamere ad infrarossi).
Anche un semplice telecomando usa un segnale ad infrarossi che per noi è invisibile. Ma se usi la fotocamera del cellulare è possibile vedere il led del telecomando accendersi. Perchè? Perchè la fotocamera è sensibile anche agli infrarossi.
LA LUCE VISIBILE : da 700nm a 400nm
Appartengono alla luce visibile le onde elettromagnetiche alle quali è sensibile l’occhio umano. La luce visibile è una piccola porzione dello spettro delle onde elettromagnetiche. Sono emesse dai corpi aventi temperatura molto elevata, come metalli incandescenti, le fiamme e, naturalmente, il Sole e le stelle.
I nostri occhi percepiscono le diverse frequenze della luce visibile sotto forma di colori. Si parte dal rosso che corrisponde a 640nm/700nm al verde intorno ai 550nm al blu intorno ai 500nm e infine l'ultravioletto sui 400nm. Il rosso ha frequenza minore e minore energia mentre il blu e il violetto hanno maggiore frequenza e quindi trasportano maggiore energia.
Gli animali hanno uno spettro di luce leggermente diverso determinato dall'evoluzione della specie. Ad esempio riesco a percepire gli ultravioletti e gli infrarossi alcuni insetti (mosche , zanzare, api) e i rettili. Gli animali non riescono ad avere la nostra stessa percezione nitida dei colore. Molti mammiferi non vedono il rosso altri vedono tutto secondo sfumature di grigio oppure di giallo o di rosso.
L'uomo ha una visione tricromatica con oltre 6 milioni di coni sensibili al rosso, verde e blu che gli permettono di percepire oltre a un milione di sfumature di colore. Il cane ha solo 1,2 milioni di coni sensibli solo al giallo e al blu. Quindi non hanno percezione del rosso e del verde e vede tutto secondo sfumature di giallo e blu. La loro vista di giorno è circa l'80% in meno di quella umana. Invece riesce a vedere al buio 5/6 volte meglio dell'uomo.
ULTRAVIOLETTI : tra i 100nm e i 400nm
Sono radiazioni emesse dagli atomi eccitati. Non sono visibili all'uomo. Rispetto alla luce visibile trasportano più energia e penetrano più profondamente nei tessuti viventi e, se di frequenza più alta possono risultare letali per le cellule e batteri (UVB) e quindi pericolosi per l'uomo. Il sole emette raggi ultravioletti che raggiungono la Terra. Sono per questo molto importanti le creme protettive per l'esposizione al sole. Queste sono un filtro contro gli UVA e UVB che sono presenti anche in giornate nuvolose. Per fortuna la nostra atmosfera riesce a schermare buona parte delle UV di alta frequenza ma filtra poco gli UVA e UVB.
Altre sorgenti di UV sono le lampade a fluorescenza che servono per sterilizzare in laboratorio.
RAGGI X
𝜆=10⁻¹¹m f=10¹⁹Hz
Vengono prodotti quando un elettrone viene inviato ad elevata velocità contro un bersaglio metallico. Penetrano facilmente nei tessuti viventi dai quali vengono assorbiti in misura diversa, a seconda della natura dei tessuti stessi; per questo fatto e per la proprietà di impressionare le lastre fotografiche vengono usati in medicina. Uccidono le cellule e possono produrre mutazioni genetiche. I raggi X uccidono più facilmente cellule malate che cellule sane e pertanto, in dosi opportune, possono essere usati in certe terapie. I raggi X sono anche usati per lo studio dei cristalli. Un fascio di raggi X che penetra in un cristallo subisce riflessioni successive da parte degli atomi presenti nel reticolo cristallino dando origine a figure di diffrazione. Dalla forma e dalle dimensioni di queste figure è possibile, nota la distanza fra gli atomi, risalire alla lunghezza d’onda dei raggi X e, viceversa, nota tale lunghezza, risalire alla spaziatura degli atomi.
RAGGI GAMMA
𝜆<10⁻¹¹m f=10²²Hz
Sono emessi dai nuclei instabili degli elementi radioattivi. Sono estremamente penetranti e provocano gravi alterazioni dei tessuti viventi e anche la morte
Le onde elettromagnetiche sono generate da campi elettrici variabili che si possono generare a loro volta da correnti variabili (ad es. scariche elettriche - fulmini). Anche una carica accelerata è equivalente ad una corrente variabile e quindi genera onde elettromagnetiche. Ad esempio, può generare onde elettromagnetiche:
1)L'urto di particelle cariche contro un ostacolo (raggi X)
2)Il moto curvilineo di particelle cariche (es. sincrotroni)
3)Il moto oscillatorio di particelle cariche .(es.agitazione termica- infrarossi)
Artificialmente possiamo generare onde elettromagnetiche con circuiti LC (induttanza- capacità) detto anche circuito oscillate. Se inizialmente il condensatore è carico, si genererà una corrente di scarica variabile che attraversa l'induttanza. Nel momento in cui la corrente tende ad annullarsi nell'induttanza si genera una corrente indotta nello stesso verso (Legge di Lenz) che ricarica il condensatore con carica delle armature di segno contrario.
In tal modo si ripete il processo di scarica con corrente di verso opposto , si genera una corrente indotta contraria che ricarica il condensatore nello stesso modo iniziale. Il processo è periodico con pulsazione data da :
Esiste una chiara analogia tra il circuito LC e un sistema massa-molla. Nel sistema massa molla vi è un continuo trasferimento di energia da quella potenziale della molla a quella cinetica e viceversa. Nel circuito LC vi è un trasferimento periodico di energia da quella del campo elettrico presente nel condensatore a quella magnetica presente nel campo magnetico dell'induttanza.
Quindi l'energia totale è data da:
L'energia totale si può esprimere :
Dove i₀ e q₀ sono corrente e carica massima. Ogni circuito ha una frequenza diversa che dipende dal valore dell'induttanza L e della capacità C. Per il fenomeno di risonanza, un circuito LC "inizia ad oscillare" se viene investito da un'onda elettromagnetica avente la sua stessa frequenza.
L'equazione differenziale sul circuito è VL=VCe quindi :
dove i=dq/dt. Ho quindi:
e questa è analoga a quella del sistema massa - molla:
Dove la costante k/m era 𝝎². Così si dimostra che nel circuito LC risulta 𝝎²=1/LC.
Inoltre si deduce che la funzione q(t) e quindi i(t) è periodica esprimibile con un seno o un coseno.
Dove i₀=𝛚q₀ è la corrente massima. I grafici sono i seguenti:
Chiaramente in un circuito LC reale le oscillazioni sono smorzate perchè vi è sempre dispersione di energia (energia dissipata dalla resistenza del conduttore o energia irradiata dalle onde elettromagnetiche) . Per mantenere le oscillazioni bisogna collegare un generatore di corrente alternata con la stessa frequenza del circuito.
La stessa ANTENNA DIPOLO usata per trasmettere le onde radio è equivalente ad un circuito LC. Un generatore di corrente alternata CA di periodo T è collegato al centro di un’antenna. Le cariche sono costrette a muoversi periodicamente avanti e indietro lungo l’antenna generando un campo elettrico variabile che genera un campo magnetico variabile perpendicolare e quindi onde elettromagnetiche con lo stesso periodo.
In questo modo funzionano le antenne di trasmissione. L'antenna ricevente avente le stesse caratteristiche fisiche (lunghezza) entra in risonanza se investita da queste onde elettromagnetiche e le cariche presenti nel conduttore incominciano a muoversi avanti e indietro con la stessa frequenza.
L'antenna dipolo ha una lunghezza pari a mezza lunghezza d'onda.
Le onde elettromagnetiche generate dall'antenna sono onde TRASVERSALI . Il campo elettrico E e il campo magnetico B sono tra loro perpendicolari, oscillano in fase e sono perpendicolari alla direzione di propagazione.
L'intensità delle onde elettromagnetiche prodotte da un'antenna è massima nella direzione di propagazione dell'onda ed è nulla sotto la stessa antenna.
dove k è il numero d'onda e 𝝎 è la pulsazione. Il campo E oscilla nella direzione y mentre il campo B nella direzione dell'asse z mentre l'asse x è la direzione di propagazione. Naturalmente si possono anche esprimere con la funzione coseno. I versi dei vettori E e B sono dati dal vettore di Poynting S così definito:
Il vettore di Poynting fornisce la direzione e il verso della propagazione dell'onda ed è dato dal prodotto vettoriale di E con B. Quindi si applica la regola della mano destra: il pollice è la direzione di propagazione, l'indice del vettore E e il medio del vettore B. Il modulo del vettore di Poynting rappresenta l’intensità istantanea dell’onda elettromagnetica
lezione Politecnico Torino sulle Onde elettromagnetiche
