Dimostrazione, simmetria, applicazioni
Finora abbiamo descritto il campo elettrico (electric field) di una carica puntiforme, le sue linee di forza (field lines) e il flusso (flux) di un campo attraverso una superficie.
Quanto vale il flusso del campo elettrico attraverso una superficie chiusa? E dipende dalla forma della superficie?
Una carica puntiforme Q genera a distanza r un campo di modulo
con ε0 = 8,85×10⁻¹² C²/(N·m²), la permittività elettrica del vuoto (vacuum permittivity).
Dividiamo la superficie in pezzettini così piccoli da essere piani, con E costante.
Analogia: la pioggia su una finestra. Tanta se la finestra è di fronte alle gocce, nulla se è parallela.
Campo fisso: E = 5 N/C (freccia bordeaux). La normale uscente n è la freccia navy.
Una superficie chiusa (closed surface) Ω divide lo spazio in un dentro e un fuori. La dividiamo in n pezzettini ΔSi; in ognuno il campo è Ei.
Il flusso vero è il limite per ΔSi → 0. Unità: N·m²/C.
Su una superficie qualunque il conto è difficile: E cambia in modulo e direzione.
Dimostrazione in tre mosse
Su una patata non sappiamo calcolare il flusso. Su una sfera con la carica al centro sì: si parte da lì.
Il flusso conta le linee di forza che escono, non l'intensità del campo.
Sia Ω una sfera di raggio r con la carica Q al centro, divisa in n porzioni di aree ΔS1, …, ΔSn; su ciascuna il campo Ei è praticamente costante.
Osservazione 1. Tutti i punti di Ω hanno la stessa distanza r da Q, quindi tutti i vettori Ei hanno lo stesso modulo:
Osservazione 2. Su una sfera il campo è radiale, cioè perpendicolare alla superficie, come il vettore ΔSi. I due vettori sono paralleli e concordi (per Q > 0): θi = 0 e cos θi = 1.
Ogni addendo della somma è dunque E ΔSi, con lo stesso E in tutti.
Prossima slide: la somma.
Definizione di flusso e proprietà distributiva (raccoglimento a fattor comune):
La somma delle aree delle n porzioni è l'area totale della sfera:
Il 4πr² del numeratore semplifica il 4πr² del denominatore: il raggio non compare più.
Da Q partono le linee di forza. Il flusso conta quante ne escono dalla superficie.
Sfera: escono 12 linee.
Patata: escono le stesse 12 linee.
Stesse linee, stesso flusso: Q/ε0.
Ogni superficie si approssima a scalini: facce perpendicolari o parallele al campo.
Facce parallele: flusso 0. Facce perpendicolari: E·ΔS. Nessun coseno.
Una linea di forza può uscire, rientrare e uscire di nuovo.
Si contano uscite meno entrate: ogni linea vale 1.
Ora Q sta fuori da Ω. Ogni linea che entra, prima o poi esce.
Tante linee entrano, tante escono: flusso zero.
Il campo di più cariche è la somma vettoriale dei campi (principio di sovrapposizione, superposition principle). Il flusso è lineare in E: i flussi si sommano.
Il flusso dipende solo dalle cariche dentro, ma E è prodotto da tutte.
Una carica q = 1,0 nC è al centro di un cubo. Flusso attraverso una faccia?
Gauss parla di superfici chiuse. Ma serve anche per quelle aperte:
Scegli la chiusura in modo che la parte inventata sia facile da calcolare.
Gauss si usa bene quando la superficie è fatta di facce perpendicolari (⟂) (flusso E·A) o parallele (∥) (flusso 0) al campo.
La simmetria dice com'è E; la gaussiana si sceglie di conseguenza.
Sorgente a simmetria sferica: una rotazione attorno al centro la lascia identica.
La sfera concentrica di raggio r è la superficie gaussiana giusta.
Filo infinito con densità lineare di carica λ (linear charge density, C/m).
E è radiale e vale E(d).
Sappiamo com'è E: esce dal filo in orizzontale, uguale tutt'intorno a distanza d. Quale superficie lo segue?
Il cilindro è la forma che il campo disegna da solo.
Gaussiana: cilindro coassiale, raggio d, lunghezza L.
La lunghezza L si semplifica: il campo non dipende da quanto è lungo il cilindro.
E cala come 1/d: le linee di forza si aprono in un solo piano, sulla circonferenza 2πd, non su una sfera.
Più superficie su cui si aprono le linee, meno campo.
Piano infinito con densità superficiale σ (surface charge density, C/m²).
Sappiamo com'è E: esce dal piano in verticale, da entrambe le parti, uguale a ogni quota. Quale superficie lo segue?
Una base per lato, parallele al piano: stesso E, flusso 2EA.
Gaussiana: scatola con due basi di area A, ai due lati del piano, a distanza d.
A si semplifica: E non dipende da d.
L'esponente conta le dimensioni su cui le linee di forza si aprono.
Sfera, 1/r²
le linee si aprono su una sfera: il campo cala in fretta
Filo, 1/d
si aprono su un cerchio: cala più piano
Piano, costante
restano parallele: non cala
La sfera è carica in tutto il volume. La gaussiana è sempre una sfera concentrica: cambia la carica che ha dentro.
Dentro racchiude solo la frazione (r/R)³ della carica.
Sfera isolante di raggio R, carica Q uniforme nel volume. Superficie gaussiana: sfera concentrica di raggio r > R: dentro c'è tutta la carica, Qint = Q.
Fuori, il campo è quello di una carica puntiforme Q nel centro.
Gaussiana: sfera concentrica di raggio r < R. Racchiude solo una parte della carica.
Carica ∝ r³, area ∝ r²: dentro il campo cresce come r.
Dentro (r < R)
E cresce con r
Fuori (r > R)
E cala come 1/r²
In r = R le due curve si incontrano: lì il campo è massimo
Filo molto lungo con densità lineare di carica λ = 2,0 nC/m. Calcola il campo a d1 = 0,10 m e a d2 = 0,30 m, e la forza su un protone a d1.
Due piani molto estesi con densità di carica +σ e −σ, con σ = 2,0 μC/m². Trova E fra i piani e fuori. Ripeti con due cariche dello stesso segno. Forza su un elettrone fra i piani.
Sfera isolante con carica Q = 6,0 μC distribuita in modo uniforme, raggio R = 0,20 m. Calcola E a r = 0,10 m, r = 0,20 m, r = 0,40 m.