Stress and Strain

La forza elettromotrice ([latex]\mathcal{E}[/latex]) è il lavoro svolto per unità di carica elettrica da una sorgente non elettrica, come una batteria o un generatore. Nonostante il nome, non si tratta di una forza meccanica ma di un potenziale elettrico, misurato in volt. Rappresenta l'energia convertita da un'altra forma (chimica, meccanica) in energia elettrica quando una carica attraversa la sorgente.

La corrente elettrica in una pila Voltaica è prodotta da una reazione redox. All'anodo di zinco, lo zinco metallico viene ossidato, liberando due elettroni per atomo ([latex]Zn \rightarrow Zn^{2+} + 2e^{-}[/latex]). Questi elettroni viaggiano attraverso il circuito esterno fino al catodo di rame. Qui, gli ioni di idrogeno provenienti dall'elettrolita acquoso vengono ridotti, formando idrogeno gassoso ([latex]2H^{+} + 2e^{-} \rightarrow H_2[/latex]).

Uno dei principali difetti della pila di Volta è la polarizzazione degli elettrodi. Durante il funzionamento, l'idrogeno gassoso prodotto dal catodo di rame forma uno strato isolante di bolle sulla sua superficie. Questo strato aumenta la resistenza interna della batteria e riduce la superficie disponibile per la reazione. Di conseguenza, la tensione e la corrente in uscita dalla pila diminuiscono significativamente poco dopo l'inizio dell'utilizzo.

The Cauchy stress tensor, denoted [latex]\boldsymbol{\sigma}[/latex], is a second-order tensor that completely defines the state of stress at a point inside a material. It relates the traction vector (force per unit area) [latex]\mathbf{T}[/latex] on any surface passing through that point to the surface's normal vector [latex]\mathbf{n}[/latex] via the linear relationship [latex]\mathbf{T} = \boldsymbol{\sigma} \cdot \mathbf{n}[/latex].

Una fonte primaria di forza elettromotrice è l'induzione elettromagnetica, descritta dalla legge di Faraday. Essa afferma che un flusso magnetico variabile nel tempo [latex]\Phi_B[/latex] attraverso un circuito ad anello induce un CEM ([latex]\mathcal{E}[/latex]). L'entità del CEM è proporzionale alla velocità di variazione del flusso, data dall'equazione [latex]\mathcal{E} = - \frac{d\Phi_B}{dt}[/latex]. Questo principio è alla base dei generatori elettrici, dei trasformatori e degli induttori.

Una riformulazione della meccanica classica che utilizza coordinate generalizzate e i loro momenti coniugati. Si basa sulla funzione hamiltoniana [latex]H(q, p, t)[/latex], che rappresenta l'energia totale del sistema. La dinamica è descritta dalle equazioni di Hamilton: [latex]\dot{q}_i = \frac{\partial H}{\partial p_i}[/latex] e [latex]\dot{p}_i = -\frac{\partial H}{\partial q_i}[/latex]. Questa struttura è centrale per la meccanica quantistica e la meccanica statistica.

La corrosione galvanica è un processo elettrochimico in cui un metallo si corrode preferenzialmente quando è in contatto elettrico con un altro in presenza di un elettrolita. Ciò avviene perché i metalli dissimili creano una coppia bimetallica, con il metallo meno nobile (più attivo) che funge da anodo e si corrode, mentre il metallo più nobile funge da catodo.

La prima batteria elettrica, produceva corrente continua impilando coppie di dischi metallici dissimili (ad esempio, zinco e rame) separati da un panno imbevuto di salamoia. Ogni coppia forma una cella galvanica e impilandoli in serie si aumenta la tensione complessiva. Questa disposizione dimostrò la prima conversione continua di energia chimica in energia elettrica, aprendo la strada all'elettrochimica moderna.

La pila di Voltaic ha stabilito il principio della somma delle tensioni collegando in serie le celle elettrochimiche. Ogni coppia zinco-rame, o cella, genera una forza elettromotrice (EMF) caratteristica di circa 0,76 volt. Impilando fisicamente queste celle, Volta dimostrò che la tensione totale attraverso la pila è la somma dei singoli campi elettromagnetici di ciascuna cella, come descritto da [latex]V_{totale} = n \times V_{cell}[/latex].

L'ipotesi del continuo tratta i fluidi come materia continua piuttosto che come molecole discrete. Questa semplificazione è valida quando la scala di lunghezza del problema è molto più grande della distanza intermolecolare, consentendo di definire proprietà come densità e velocità in punti infinitesimamente piccoli. Ciò consente l'uso di equazioni differenziali per descrivere il comportamento macroscopico del flusso di fluidi.

Le equazioni di Navier-Stokes sono un insieme di equazioni differenziali parziali non lineari che descrivono il moto di sostanze fluide viscose. Si tratta di una dichiarazione della seconda legge di Newton, che bilancia le variazioni di quantità di moto con i gradienti di pressione, le forze viscose e le forze esterne. Per un fluido incomprimibile, l'equazione è [latex]\rho (\frac{parziale \mathbf{v}}{parziale t} + \mathbf{v} \cdot \nabla \mathbf{v}) = -\nabla p + \mu \nabla^2 \mathbf{v} + \mathbf{f}[/latex].

La protezione catodica (CP) è una tecnica utilizzata per controllare la corrosione di una superficie metallica rendendola il catodo di una cella elettrochimica. Ciò si ottiene fornendo una corrente elettrica esterna che sopprime le correnti di corrosione naturali. Il potenziale del metallo protetto viene polarizzato su un valore più negativo, spostandolo in una regione di immunità o passività.

Questa legge afferma che la forza elettromotrice (EMF, [latex]\mathcal{E}[/latex]) indotta in qualsiasi circuito chiuso è uguale al negativo del tasso di variazione temporale del flusso magnetico ([latex]\Phi_B[/latex]) attraverso il circuito. L'espressione matematica è [latex]\mathcal{E} = -\frac{d\Phi_B}{dt}[/latex]. Questo principio è alla base dei generatori elettrici, dei trasformatori e degli induttori e descrive l'effetto macroscopico dell'induzione.

La legge di Lenz fornisce la direzione della forza elettromotrice (fem) indotta e della corrente risultante dall'induzione elettromagnetica. Afferma che la corrente indotta fluirà in una direzione che crea un campo magnetico opposto alla variazione di flusso magnetico che l'ha generata. Questo principio è una conseguenza della conservazione dell'energia ed è rappresentato dal segno negativo nella legge di Faraday.