Fisica II: Elettromagnetismo e Ottica

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Questions and Answers

Qual l'obiettivo principale del testo di Fisica II, Elettromagnetismo e Ottica, rispetto al corso di Fisica Generale?

  • Sostituire completamente il programma di Fisica Generale.
  • Fornire complementi, chiarificazioni ed esempi per il programma di Fisica Generale, affiancandosi a Fisica I. (correct)
  • Presentare una prospettiva storica dello sviluppo della fisica.
  • Ignorare gli argomenti di Meccanica e Termodinamica.

Come si differenzia l'approccio del testo all'ottica rispetto allo sviluppo storico delle conoscenze?

  • Segue lo sviluppo storico passo dopo passo, partendo dalle prime osservazioni.
  • Evidenzia le potenzialit predittive della teoria elettromagnetica, facendo discendere l'ottica dalle equazioni dell'elettromagnetismo. (correct)
  • Presenta l'ottica come una disciplina completamente separata dall'elettromagnetismo.
  • Ignora le equazioni dell'elettromagnetismo a favore di un approccio fenomenologico.

Qual la raccomandazione specifica riguardo all'uso dell'appendice contenente le soluzioni degli esercizi?

  • Consultarla solo per verificare la correttezza della soluzione prodotta autonomamente. (correct)
  • Utilizzarla come guida per la risoluzione di ogni esercizio.
  • Consultarla frequentemente per accelerare l'apprendimento.
  • Ignorarla completamente per sviluppare capacit di problem-solving.

Quale aspetto importante dell'elettromagnetismo viene trattato nel testo con una certa diffusione?

<p>La covarianza relativistica della teoria. (D)</p> Signup and view all the answers

Cosa offre l'ultimo capitolo del libro, in termini di preparazione alla meccanica quantistica?

<p>Una introduzione sintetica ma rigorosa ai concetti della meccanica quantistica, partendo da fatti sperimentali. (C)</p> Signup and view all the answers

Come viene facilitato l'uso del testo per i corsi di laurea diversi da Fisica?

<p>Evidenziando graficamente un percorso ridotto con argomenti essenziali. (A)</p> Signup and view all the answers

Qual lo scopo di individuare un 'percorso ridotto' all'interno del testo?

<p>Agevolare lo studio per gli studenti di corsi di laurea diversi da fisica, escluso quello di fisica. (B)</p> Signup and view all the answers

Quale propriet delle forze di natura elettrica evidenziata quando si afferma che le forze che si scambiano costituiscono una coppia di braccio nullo?

<p>Soddisfano il terzo principio della dinamica. (C)</p> Signup and view all the answers

Cosa implica l'affermazione che la carica elettrica quantizzata?

<p>Esiste una carica elementare, e ogni carica osservata un multiplo di essa. (B)</p> Signup and view all the answers

Quale ruolo giocano gli elettroni in un conduttore quando un corpo carico positivamente posto nelle vicinanze?

<p>Si addensano in vicinanza del corpo positivo, essendo attratti. (C)</p> Signup and view all the answers

In quali materiali le cariche elettriche trasferite per strofinio tendono a restare localizzate?

<p>Nei materiali isolanti come vetro e ambra. (C)</p> Signup and view all the answers

Qual il meccanismo fondamentale alla base dell'elettrizzazione per contatto?

<p>Il trasferimento di elettroni da un corpo all'altro. (D)</p> Signup and view all the answers

Cosa si intende per induzione elettrostatica?

<p>Il movimento di cariche in un conduttore neutro, causato dalla vicinanza di un corpo carico. (D)</p> Signup and view all the answers

Cosa determina la divergenza delle foglioline in un elettroscopio a foglie quando viene toccato con un corpo carico?

<p>La repulsione tra le foglioline, cariche dello stesso segno. (D)</p> Signup and view all the answers

Nell'ambito della definizione operativa di carica elettrica, cosa si assume quando due corpi uguali producono la stessa deflessione delle foglioline di un elettroscopio?

<p>Hanno la stessa carica elettrica in valore assoluto. (D)</p> Signup and view all the answers

Cosa afferma la legge di conservazione della carica elettrica?

<p>La somma algebrica delle cariche in un sistema isolato rimane costante. (C)</p> Signup and view all the answers

A cosa analoga la legge di Coulomb, e qual una differenza cruciale?

<p>analoga alla legge di gravitazione universale, ma la massa gravitazionale ammette un solo segno invece che due. (C)</p> Signup and view all the answers

Qual l'unit di misura delle cariche nel sistema internazionale (SI)?

<p>Il Coulomb. (A)</p> Signup and view all the answers

In quale sistema di unit di misura la costante k nella legge di Coulomb assume valore pari a 1?

<p>In alcuni sistemi c.g.s. elettrostatico. (C)</p> Signup and view all the answers

Qual l'unit di misura della costante dielettrica del vuoto ($\epsilon_0$) nel sistema internazionale?

<p>C/Nm (C)</p> Signup and view all the answers

In un atomo di idrogeno, quale forza predomina tra protone ed elettrone, e di quanto?

<p>La forza elettrostatica, di circa 10 volte. (B)</p> Signup and view all the answers

Qual la forza di attrazione tra due contenitori, ognuno con un grammo di idrogeno (uno ionizzato e uno con elettroni), posti a 10 metri di distanza?

<p>Pari al peso di una massa di centomila miliardi di tonnellate. (A)</p> Signup and view all the answers

Cosa si intende per campo elettrico?

<p>La modifica delle propriet dello spazio circostante a una carica, misurata dalla forza per unit di carica. (A)</p> Signup and view all the answers

Come si definisce il campo elettrico generato da una distribuzione di cariche sorgenti, in termini della forza subita da una carica di prova, in condizioni convenzionali?

<p>Come il rapporto tra la forza subita dalla carica di prova e la carica stessa, purch questa sia abbastanza piccola. (D)</p> Signup and view all the answers

Cosa afferma il principio di sovrapposizione per il campo elettrico in presenza di cariche multiple fisse nello spazio?

<p>Il campo totale la somma vettoriale dei campi generati da ogni carica. (D)</p> Signup and view all the answers

Cosa rappresenta il concetto di densit spaziale di carica ()?

<p>La carica elettrica per unit di volume in un punto dello spazio. (A)</p> Signup and view all the answers

Qual l'utilit pratica di introdurre il concetto di densit spaziale di carica ?

<p>Descrivere distribuzioni continue quando il numero di cariche elevato. (B)</p> Signup and view all the answers

Come varia il campo elettrico con la distanza da un filo rettilineo infinito uniformemente carico?

<p>Diminuisce proporzionalmente alla distanza. (C)</p> Signup and view all the answers

Come si calcola il campo elettrico generato da una distribuzione uniforme di carica su un piano infinito?

<p>Suddividendo il piano in anelli concentrici e integrando. (B)</p> Signup and view all the answers

Qual la relazione tra il campo elettrico e uno strato uniforme di carica?

<p>Il campo ortogonale allo strato ed uniforme nello spazio. (C)</p> Signup and view all the answers

Quale delle seguenti affermazioni una conseguenza diretta del teorema di Gauss?

<p>Il flusso del campo elettrico attraverso una superficie chiusa dipende solo dalla carica interna. (A)</p> Signup and view all the answers

Cosa rappresenta il flusso del campo elettrico attraverso una superficie?

<p>Una misura del 'numero' di linee di campo che attraversano la superficie. (D)</p> Signup and view all the answers

In assenza di cariche elettriche all'interno di un tubo di flusso, come varia il flusso del campo elettrico lungo il tubo?

<p>Rimane costante. (B)</p> Signup and view all the answers

Quale relazione lega l'intensit del campo elettrico e la densit delle linee di forza in una rappresentazione grafica del campo?

<p>Sono proporzionali. (C)</p> Signup and view all the answers

In una distribuzione di carica con simmetria sferica, quale direzione ha il campo elettrico generato?

<p>Radiale, rispetto al centro. (C)</p> Signup and view all the answers

Cosa si pu concludere se il potenziale ha lo stesso valore su una sfera?

<p>L'area superficiale di 1 metro quadrato. (A)</p> Signup and view all the answers

Qual la relazione tra campo elettrico e potenziale elettrostatico?

<p>Il campo il gradiente del potenziale. (B)</p> Signup and view all the answers

Qual la convenzione adottata per il valore del potenziale all'infinito?

<p>Zero. (D)</p> Signup and view all the answers

Come si calcola il potenziale elettrostatico generato da una distribuzione discreta di cariche?

<p>Sommando i potenziali generati da ciascuna carica. (C)</p> Signup and view all the answers

Perch il calcolo del potenziale pu essere pi semplice del calcolo del campo elettrico?

<p>Perch il potenziale uno scalare. (D)</p> Signup and view all the answers

Flashcards

Cos'è la premessa?

È un testo che introduce e spiega brevemente i contenuti del libro.

Azioni elettriche

Forza a distanza tra oggetti trattati (es. strofinio con lana).

Carica positiva (vetrosa)

Corpi che, strofinati con lana, si caricano positivamente.

Carica negativa (resinosa)

Corpi che, strofinati, si caricano negativamente.

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Costituenti della materia

Protone, neutrone ed elettrone.

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Nucleoni

Particelle nel nucleo atomico (protoni e neutroni).

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Carica quantizzata

La carica elettrica è sempre un multiplo intero della carica elementare.

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Isotopi

Atomi con lo stesso numero atomico ma diverso numero di neutroni.

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Isolanti

Materiali dove le cariche restano localizzate.

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Conduttori

Materiali dove le cariche migrano liberamente.

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Induzione elettrostatica

Fenomeno per cui un conduttore scarico si carica in presenza di un corpo carico.

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Elettroscopio a foglie

Strumento che rileva la presenza di cariche elettriche.

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Uguaglianza di carica

Se due corpi uguali toccano M, le foglioline hanno stessa deflessione.

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Conservazione carica elettrica

In un sistema isolato, la carica totale è costante.

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Legge di Coulomb

Forza tra cariche puntiformi.

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Coulomb

Unità di misura della carica elettrica.

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Campo elettrico

Influenza sulle proprietà dello spazio circostante.

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Linee di forza

Regole di rappresentazione del campo elettrico.

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Sorgente del campo

Carica che genera il campo elettrico.

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Principio di sovrapposizione

Somma dei campi generati da più cariche.

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Tubo di flusso

Strumento teorico per studiare campi.

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Densità di carica

Densità di carica superficiale

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Dipolo elettrico

Cariche uguali e opposte.

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Momento dipolo elettrico

Misura della polarità di un dipolo.

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Flusso

Flusso di un campo attraverso una superficie.

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Teorema di Gauss

Carica interna diviso epsilon 0

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Gabbia di faraday

Campo dentro il conduttore = 0

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Campo esterno

Flusso è nullo

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Molte cariche

Somma algebrica

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Campo vetorriale

Qualunque campo che sia additivo

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Il tornema di Gauss

il suo enunciato e molto utilizzato in elettromagnetismo

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Flusso

Le terminologie relative al flusso derivano dall'idraulica

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Equazione

V è = 1 aQint è l’enunciato del teorema di gauss

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Prima equazione

esprime la legge di Gauss in forma locale

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Operatore retoriale

esprime lapropietà in forma compatta

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teorema Stokes

di un elemento del circuito

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potenziale eletrostatico

integrale si intende esteso al volument,ovvero a tuttos

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Equazione di volocità

la derivata direzionale si dice che la direzionale di v

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Study Notes

  • This text is a second edition of the book "Physics II, Electromagnetism and Optics" expanded with complements, clarifications, and new exercises.
  • It is designed to accompany "Physics I, Mechanics and Thermodynamics."
  • Together, the two volumes cover the standard physics curriculum for the first two years of science programs at Italian universities.
  • The text emphasizes methodological consistency and the complementary nature of the topics covered in both volumes.

Electromagnetism

  • It leverages students' math skills to highlight the predictive power of electromagnetic theory.
  • Optics is presented as a consequence of electromagnetism, using its phenomena to validate electromagnetism's predictions.
  • This approach diverges from the historical progression of scientific knowledge.
  • Numerous examples and exercises are included as integral parts of the text.
  • Students are encouraged to use the provided solutions in the appendix only to verify their own work.
  • Suggestions at the end of each chapter should only be consulted after serious independent attempts to solve the exercises.

Modern Developments

  • The text includes a broad overview of recent advancements in electromagnetism and related technologies.
  • Relativistic covariance of the theory is discussed at length.
  • A concise but rigorous introduction to quantum mechanics is presented in the last chapter, based on experimental evidence.

Redundancy and Usage

  • The text may be longer than the material covered in most second-year physics courses (except physics majors).
  • A "reduced path" through the text is marked graphically for other courses.
  • This path is identified by small font size and a colored band, indicating less essential material.
  • The first edition was tested in various Physics II courses for Physics degrees.
  • Improvements were made based on feedback from other science disciplines.
  • Acknowledgement is given to colleagues and friends for their support and direction.
  • Special thanks are given for the quality and breadth of Ferdinando Amman's and Andrea Frova's suggestions.
  • The mathematicians Alessandro Ossicini and Francesco Rosati are acknowledged for reviewing chapters for mathematical accuracy.

Chapter I: Electrostatics in Vacuum - Electric Field and Potential

  • Electromagnetic phenomena exhibit a wide variety and complexity in nature.
  • From early observations by Thales to the theoretical formulation by Maxwell-Faraday (and later relativistic and quantum extensions by Einstein and Dirac), this field has evolved over 25 centuries.
  • Electromagnetism is a major achievement of human intellect, characterized by elegance, synthesis, and predictive power.
  • The presentation follows the scientific method, retracing historical steps through schematization.
  • It starts with simple situations (static point charges in a vacuum) then gradually introduces complexities (finite dimensions, motion, matter).
  • The description presented is the "classical" electromagnetism that historically precedes quantum mechanics and relativity (covered marginally).
  • Special relativity is compatible with classical electromagnetism, while quantum mechanics introduces significant changes at atomic scales.

1.1. Electric Actions

  • Most forces in macroscopic object interactions are contact forces (friction, pressure, elasticity) or gravitation (weight).
  • Simple experiments show that suitably treated macroscopic objects (e.g., rubbed with wool) exert another type of force over a distance i.e., electric actions
  • Objects of the same substance, when rubbed, repel each other.
  • Objects of different substances, when rubbed, can either attract or repel each other.

Electrification for Rubbing

  • Pairs of materials exhibit either repulsive or attractive forces, e.g., glass and plastic, glass and amber.
  • Electric forces satisfy Newton's third law (action and reaction).
  • Investigation shows that objects separately attracted to a body C after electrification will repel each other.
  • If A is attracted to C and B is repelled by C (or vice versa), then A and B will attract each other.
  • These conclusions shows the existence of two types of "electrification" i.e. two types of electric charges.
  • By convention, glass rubbed with wool gains positive (or vitreous) charge.
  • Amber, plastics, or resins rubbed, acquire a negative (or resinous) electric charge.
  • Like electric charges repel each other.
  • Unlike electric charges attract each other.

Matter and Electric Charge

  • Matter in the world (galaxies to molecules) is formed from three fundamental constituents: protons (p), neutrons (n), and electrons (e).
  • The mass of a proton (mp) is nearly equal to the mass of a neutron (mn).
  • The mass of an electron (me) is about 2000 times smaller than the proton mass: me ≈ mp/1840.
  • Protons and neutrons are known as nucleons.
  • The diameter of a proton and neutron is about 10^-15 m.
  • Electrons are smaller than the precision of current measurements and are therefore considered point-like.
  • By convention, protons have positive electric charge and electrons have negative electric charge (equal in magnitude).
  • No electric charge has ever been observed as a fraction of proton charge (or electron).
  • Elementary charge is the quantized unit of charge i.e. electric charge is quantized.
  • Neutrons are electrically neutral i.e., have no electric charge.
  • The elemental constituents of matter combine in a variety of ways which are macroscopically visible.
  • Combinations are due to two of the fundamental forces of nature.
  • Protons and neutrons bind through the nuclear force to form atomic nuclei.
  • Nucleus charge is positive, due to the number of protons in it (atomic number).
  • Nucleus mass is approximately equal to the sum of the nucleon masses that make it up.
  • The number of nucleons making up a nucleus is is its mass number.
  • Electrons orbit the nucleus via electric forces, in the number of the atomic number (number of protons), so the overall atom is electrically neutral.
  • Atomic neutrality is an example of a general rule better defined from electrostatics.
  • Microscopic systems composed of charges yield a global charge equal to the algebraic sum of those constituent charges.

Substances and Electrons

  • Atoms of various elements make up all known known substances.
  • The number of protons determines which element it is.
  • Isotopes are species of the same element which vary in number of neutrons.
  • The intensity of electron binding among electrons varies among various substances.
  • This particularly applies to peripheral electrons' attraction to a nucleus.
  • It follows that there are two key categories of materials: insulators and conductors.

Conduction

  • Rubbing two materials can result in electrons passing an electric charge from one to the other.
  • Electrons transition from bodies where they have a weaker to stronger nuclear binding.
  • e.g., rubbing glass with wool has the effect of removing electrons from the glass.
  • The glass will therefore gain a positive charge with an excess of protons.
  • Insulators restrain electric charge which has been transferred by rubbing.
  • Conductors allow electrons to spread out and prevent electrostatic build-up.

Summaries of Electric Force

  • Are a manifestation of nature (attributable to electric charge).
  • Obey laws of fundamental interaction among charged particles (i.e., electromagnetic interaction).
  • Appear macroscopically when the symmetry of natural electric charge and uncharged matter is broken.
  • Electrification can also be transmitted from a charged body to a neutral body by just mechanical contact.
  • A charged body can effect a charge a neutral one when in contact (i.e., touching).
  • Neutral metals contain free electrons that equalize the concentration of protons.
  • Bringing a charged body (e.g. positive insulator) will attract the free electrons in the neutral metal, resulting in concentration.
  • If mechanical contact is made, the metalloid electrons will pass to the positive body and depauperate of electrons.
  • Depauperation results in positive charge of the initially neutra

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