Fonte: Yong P. Chen, PhD, Dipartimento di Fisica e Astronomia, College of Science, Purdue University, West Lafayette, IN
L'effetto fotoelettrico si riferisce all'emissione di elettroni da un metalloquando la luce brilla su di esso. Affinché gli elettroni siano liberati dal metallo, la frequenza della luce deve essere sufficientemente alta in modo tale che i fotoni nella luce abbiano energia sufficiente. Questa energia è proporzionale alla frequenza della luce. L'effetto fotoelettrico ha fornito la prova sperimentale per il quantum di luce noto come fotone.
Questo esperimento dimostrerà l'effetto fotoelettrico utilizzando un metallo di zinco carico soggetto a una normale luce della lampada o luce ultravioletta (UV) con frequenza ed energia fotoniche più elevate. La piastra di zinco sarà collegata ad un elettroscopio, uno strumento in grado di leggere la presenza e la relativa quantità di cariche. L'esperimento dimostrerà che la luce UV, ma non la lampada normale, può scaricare lo zinco caricato negativamente espellendo i suoi elettroni in eccesso. Nessuna delle due sorgenti luminose, tuttavia, può scaricare zinco caricato positivamente, coerentemente con il fatto che gli elettroni emessi nell'effetto fotoelettrico.
Physics II
Fonte: Yong P. Chen, PhD, Dipartimento di Fisica e Astronomia, College of Science, Purdue University, West Lafayette, IN
Interferenze e diffrazione sono fenomeni caratteristici delle onde, che vanno dalle onde d'acqua alle onde elettromagnetiche come la luce. L'interferenza si riferisce al fenomeno di quando due onde dello stesso tipo si sovrappongono per dare una variazione spaziale alternata di ampiezza d'onda grande e piccola. La diffrazione si riferisce al fenomeno di quando un'onda passa attraverso un'apertura o gira intorno a un oggetto, diverse parti dell'onda possono interferire e anche dare origine a un'alternanza spaziale di grande e piccola ampiezza.
Questo esperimento dimostrerà la natura ondulatoria della luce osservando la diffrazione e l'interferenza di una luce laser che passa attraverso una singola fessura e doppie fessure, rispettivamente. Le fessure vengono semplicemente tagliate usando lame di rasoio in un foglio di alluminio e i caratteristici modelli di diffrazione e interferenza si manifestano come modelli di alternanza di frange chiare e scure su uno schermo posto dopo il foglio, quando la luce viene illuminata attraverso le fessure sul foglio. Storicamente, l'osservazione della diffrazione e dell'interferenza della luce ha svolto un ruolo importante nello stabilire che la luce è un'onda elettromagnetica.
Physics II
Fonte: Yong P. Chen, PhD, Dipartimento di Fisica e Astronomia, College of Science, Purdue University, West Lafayette, IN
Questo esperimento dimostra come la corrente è distribuita in resistori collegati in serie o in parallelo, e quindi descrive come calcolare la resistenza totale "effettiva". Usando la legge di Ohm, è possibile convertire tra la tensione e la corrente attraverso una resistenza, se la resistenza è nota.
Per due resistori collegati in serie (il che significa che sono cablati uno dopo l'altro), la stessa corrente fluirà attraverso di essi. Le tensioni si sommano a una "tensione totale" e, quindi, la "resistenza effettiva" totale è la somma delle due resistenze. Questo è talvolta chiamato "partitore di tensione" perché la tensione totale è divisa tra i due resistori in proporzione alle loro resistenze individuali.
Per due resistori collegati in parallelo (il che significa che sono entrambi cablati tra due terminali condivisi), la corrente viene divisa tra i due mentre condividono la stessa tensione. In questo caso, il reciproco della resistenza effettiva totale sarà uguale alla somma dei reciproci delle due resistenze.
I resistori in serie e paralleli sono un componente chiave per la maggior parte dei circuiti e influenzano il modo in cui l'elettricità viene utilizzata nella maggior parte delle applicazioni.
Physics II
Fonte: Yong P. Chen, PhD, Dipartimento di Fisica e Astronomia, College of Science, Purdue University, West Lafayette, IN
Questo esperimento utilizzerà condensatori commerciali e un condensatore a piastre parallele per dimostrare il concetto di capacità. Un condensatore immagazzina cariche opposte su due conduttori, ad esempio due piastre metalliche opposte, portando a una differenza di potenziale (caduta di tensione) tra i due conduttori. La quantità di carica su ciascun conduttore è proporzionale a questa caduta di tensione, con la capacità come fattore di proporzionalità. Se la tensione cambia nel tempo, la corrente che scorre nel condensatore sarà proporzionale alla velocità di tale cambiamento, e di nuovo la capacità è il fattore di proporzionalità.
La capacità del condensatore a piastra parallela è il prodotto della costante dielettrica con la distanza tra le piastre divisa per l'area della piastra. Questo esperimento dimostrerà la proporzionalità con la distanza depositando prima una certa carica sul condensatore e quindi utilizzando un voltmetro ad alta impedenza (elettrometro) per monitorare la tensione tra le piastre all'aumentare della distanza. La variazione di tensione sarà monitorata anche con un materiale dielettrico, come una piastra di plastica inserita nello spazio tra le piastre metalliche.
Un misuratore di capacità sarà utilizzato per misurare direttamente la capacità, nonché per misurare le connessioni parallele e in serie di condensatori disponibili in commercio e per studiare come la capacità totale è correlata alle singole capacità.
Physics II
Fonte: Yong P. Chen, PhD, Dipartimento di Fisica e Astronomia, College of Science, Purdue University, West Lafayette, IN
Condensatori (C), induttori (L) e resistori (R) sono ciascuno un importante elemento circuitale con comportamenti distinti. Un resistore dissipa energia e obbedisce alla legge di Ohm, con la sua tensione proporzionale alla sua corrente. Un condensatore immagazzina energia elettrica, con la sua corrente proporzionale alla velocità di variazione della sua tensione, mentre un induttore immagazzina energia magnetica, con la sua tensione proporzionale alla velocità di variazione della sua corrente. Quando questi elementi del circuito sono combinati, possono far variare la corrente o la tensione nel tempo in vari modi interessanti. Tali combinazioni sono comunemente utilizzate per elaborare segnali elettrici dipendenti dal tempo o dalla frequenza, ad esempio in circuiti a corrente alternata (CA), radio e filtri elettrici. Questo esperimento dimostrerà i comportamenti dipendenti dal tempo dei circuiti resistore-condensatore (RC), resistore-induttore (RL) e induttore-condensatore (LC). L'esperimento dimostrerà i comportamenti transitori dei circuiti RC e RL utilizzando una lampadina (resistore) collegata in serie a un condensatore o induttore, al momento del collegamento (e dell'accensione) di un alimentatore. L'esperimento dimostrerà anche il comportamento oscillatorio di un circuito LC.
Physics II
Fonte: Yong P. Chen, PhD, Dipartimento di Fisica e Astronomia, College of Science, Purdue University, West Lafayette, IN
Un campo elettrico è generato da un oggetto carico (indicato come carica sorgente) nello spazio intorno ad esso e rappresenta la capacità di esercitare forza elettrica su un altro oggetto carico (indicato come carica di prova). Rappresentato da un vettore in un dato punto dello spazio, il campo elettrico è la forza elettrica per unità di carica di prova posta in quel punto (la forza su una carica arbitraria sarebbe la carica volte il campo elettrico). Il campo elettrico è fondamentale per l'elettricità e gli effetti delle cariche, ed è anche strettamente correlato ad altre quantità importanti come la tensione elettrica.
Questo esperimento utilizzerà polveri elettrificate in un olio che si allinea con i campi elettrici prodotti da elettrodi caricati per visualizzare le linee del campo elettrico. Questo esperimento dimostrerà anche come un campo elettrico può indurre cariche e come le cariche rispondono al campo elettrico osservando l'effetto di un'asta carica su una lattina di soda vicina.
Physics II
Fonte: Yong P. Chen, PhD, Dipartimento di Fisica e Astronomia, College of Science, Purdue University, West Lafayette, IN
Il potenziale elettrico, noto anche come "tensione", misura l'energia potenziale elettrica per unità di carica. Il campo elettrico è una quantità scalare ed è fondamentale per molti effetti elettrici. Come l'energia potenziale, ciò che è fisicamente significativo è la differenza nel potenziale elettrico. Ad esempio, la variazione spaziale del potenziale elettrico è correlata al campo elettrico, che dà origine alla forza elettrica su una carica. La differenza nel potenziale elettrico tra due punti in un resistore guida il flusso di corrente elettrica.
Questo esperimento utilizzerà sia un voltmetro che un tubo fluorescente per dimostrare il potenziale elettrico (più precisamente, la differenza di potenziale tra due punti nello spazio) generato da una sfera carica. L'esperimento dimostrerà il concetto di superfici equipotenziali, che sono perpendicolari ai campi elettrici.
Physics II
Fonte: Yong P. Chen, PhD, Dipartimento di Fisica e Astronomia, College of Science, Purdue University, West Lafayette, IN
I campi magnetici possono essere generati da cariche in movimento, come una corrente elettrica. Il campo magnetico generato da una corrente può essere calcolato dall'equazione di Maxwell. Inoltre, oggetti magnetici come i magneti a barre possono anche generare campi magnetici a causa della dinamica microscopica delle cariche all'interno del materiale. I campi magnetici eserciteranno forza magnetica su altre cariche in movimento o oggetti magnetici, con la forza proporzionale al campo magnetico. I campi magnetici sono fondamentali per l'elettromagnetismo e sono alla base di molte applicazioni pratiche che vanno dalle bussole alla risonanza magnetica.
Questo esperimento dimostrerà i campi magnetici prodotti da una barra magnetica permanente e da una corrente elettrica, utilizzando piccoli magneti ad ago della bussola che si allineano con i campi magnetici. Questo esperimento dimostrerà anche la forza esercitata dai campi magnetici prodotti da una corrente su un altro filo che trasporta corrente.
Physics II
