Fisica 2: Elettricità e magnetismo: pacchetto last-minute

Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 10 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.

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1Formule e metodi

Legge di Coulomb e campo elettrico

Legge di Coulomb
F = k·|q1q2|/r²
Campo di una carica puntiforme
E = k·|q|/r²
Costante
k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C²
Forza su una carica
F = q·E

Resistori in serie e parallelo

Resistenze in serie
Req = R1 + R2 + …
Resistenze in parallelo
1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
Due in parallelo
Req = R1R2 / (R1 + R2)
Legge di Ohm
V = I·R
Potenza
P = V·I = I²R = V²/R

Metodo

  1. Parti dall’estremità della rete più lontana dai morsetti.
  2. Combina i resistori in serie sommandoli e quelli in parallelo con 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. Ridisegna il circuito dopo ogni passaggio.
  4. Ripeti finché tra i morsetti resta un solo resistore.

Transitori RC e RL

Costante di tempo
τ = RC | τ = L/R
Risposta
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
Condensatore in continua
circuito aperto; vC non può variare a salto
Induttore in continua
cortocircuito; iL non può variare a salto
A regime
t ≈ 5τ

Metodo

  1. Trova il valore iniziale subito dopo la commutazione: la tensione di un condensatore e la corrente di un induttore non possono variare a scatto.
  2. Trova il valore finale molto tempo dopo la commutazione: un condensatore si comporta come un circuito aperto, un induttore come un cortocircuito.
  3. Trova la costante di tempo: τ = RC o τ = L/R, usando la resistenza vista dal condensatore o dall’induttore.
  4. Usa x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.

Campi magnetici e induzione

Filo rettilineo lungo
B = μ0I/(2πr)
Centro di una bobina piana
B = μ0NI/(2R)
Solenoide lungo
B = μ0nI, n = N/L
Costante
μ0 = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
Forza su un filo
F = BIL·sin θ
Forza su una carica
F = |q|vB·sin θ
Moto circolare
r = mv/(|q|B), T = 2πm/(|q|B)
Fili paralleli
F/L = μ0I1I2/(2πd)
Flusso
Φ = BA·cos θ
Legge di Faraday
ε = −N·ΔΦ/Δt
Asta in movimento
ε = BLv
Generatore
E0 = NBAω, Erms = E0/√2
Induttanza
ε = L·ΔI/Δt, L = μ0N²A/l, W = ½LI²
Mutua induttanza
ε2 = M·di1/dt, M = k√(L1L2)
Selettore di velocità e spettrometro
v = E/B, r = √(2mV/|q|)/B

Metodo

  1. Converti ogni grandezza in unità SI: cm in m, cm² in m², mT e µT in T.
  2. Scegli la formula giusta: B = μ₀I/(2πr) per un filo, μ₀NI/(2R) per il centro di una bobina, μ₀nI all’interno di un solenoide; F = BIL·sin θ oppure |q|vB·sin θ per le forze.
  3. Per l’induzione, trova la variazione di flusso ΔΦ = Δ(BA·cos θ) e usa ε = N·ΔΦ/Δt, oppure ε = BLv per un’asta in movimento e NBAω per una bobina rotante.
  4. Trova i versi separatamente con le regole della mano destra, e con la legge di Lenz per le correnti indotte.

Impedenza AC e fasori

Impedenze
ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
Pulsazione
ω = 2πf
Modulo e fase
|Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Legge di Ohm con i fasori
V = I·Z

Metodo

  1. Converti la frequenza: ω = 2πf.
  2. Trova ogni reattanza: XL = ωL e XC = 1/(ωC).
  3. Somma le impedenze come resistori, con Z = R + jX.
  4. Trova il modulo |Z| = √(R² + X²) e l’angolo φ = atan(X/R), poi usa la legge di Ohm con i fasori.

2Esercizi

1.Legge di Coulomb e campo elettricoMedia
++5 µC++6 µCr = 40 cm

Due piccole sfere metalliche identiche portano cariche di +5 µC e +6 µC. Vengono messe a contatto e poi riportate a 40 cm di distanza. Trova il modulo della forza F tra di esse ora. Use k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².

q1 = +5 µCq2 = +6 µCr = 40 cm
F = N
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
10 cm4 cm+q1​ = +3 µC+q3​ = +5 µC+q2​ = +8 µC

Tre cariche puntiformi positive si trovano ai vertici di un triangolo rettangolo: q₃ = 5 µC è nel vertice dell’angolo retto, q₁ = 3 µC si trova a 10 cm da essa lungo un cateto e q₂ = 8 µC a 4 cm da essa lungo l’altro cateto. Trova il modulo della forza elettrica risultante F su q₃.

q1 = 3 µCq2 = 8 µCq3 = 5 µCr13 = 10 cmr23 = 4 cm
F = N
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 5 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩAR4​4 ΩB

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 10 VR1 = 5 ΩR2 = 3 ΩR3 = 2 ΩR4 = 4 Ω
Req = Ω
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 8 ΩIR1​R3​ = 30 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​4 ΩBR6​15 Ω

Trova la corrente IR1 erogata dal generatore, che scorre in R1.

V1 = 12 VR1 = 8 ΩR2 = 8 ΩR3 = 30 ΩR4 = 4 ΩR5 = 15 ΩR6 = 15 Ω
IR1 = A
5.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​24 Vt = 0R1​ = 10 kΩR2​ = 2,2 kΩC10 µF+−vC​

Il generatore Vₛ carica il condensatore attraverso R₁, e R₂ è collegato in parallelo a C. Il condensatore è scarico quando l’interruttore si chiude in t = 0. Trova la tensione del condensatore vC in t = 20 ms.

Vs = 24 VR1 = 10 kΩR2 = 2,2 kΩC = 10 µFt = 20 ms
vC = V
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​9 Vt = 0R = 3,3 kΩC10 µF+−vC​vC​(0) = 12 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 12 V con la polarità indicata. Quanto tempo serve perché vC raggiunga 9,6 V? Trova t.

Vs = 9 VR = 3,3 kΩC = 10 µFvC(0) = 12 V
t = ms
7.Campi magnetici e induzioneMedia
nBA = 100 cm², N = 50B: 0,2 → 0,3 T

Una bobina di 50 spire, area 100 cm² e resistenza 5 Ω forma un circuito chiuso. Un campo uniforme perpendicolare alla bobina sale in modo costante da 0,2 T a 0,3 T in 500 ms. Trova la corrente indotta media I.

N = 50A = 100 cm²B: 0,2 T → 0,3 TΔt = 500 msR = 5 Ω
I = mA
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
E = 2 × 10⁵ V/m, B1​ = 0,25 T

In un selettore di velocità, campi incrociati E = 2 × 10⁵ V/m e B = 0,25 T lasciano passare in linea retta solo gli ioni di una certa velocità. Trova quella velocità v.

E = 2 × 10⁵ V/mB1 = 0,25 T
v = m/s
9.Impedenza AC e fasoriMedia
24 V50 HzR = 25 ΩL = 100 mHI

Un resistore e un induttore sono collegati in parallelo a un’alimentazione da 24 V (efficaci), 50 Hz. Trova l’angolo di fase φ dell’impedenza, in gradi (positivo quando la corrente è in ritardo sulla tensione).

V = 24 V (rms)f = 50 HzR = 25 ΩL = 100 mH
φ = °
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
50 V500 HzR = 25 ΩL = 50 mHC = 47 µF+−VC​

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 50 V (efficaci), 500 Hz. Trova la tensione efficace VC ai capi del condensatore.

V = 50 V (rms)f = 500 HzR = 25 ΩL = 50 mHC = 47 µF
VC = V

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: F = 1,7 N

Coulomb’s law: two point charges attract or repel with F = k·|q₁·q₂|/r², with k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C². The field of a point charge is E = k·|q|/r², pointing away from a positive charge and towards a negative one. Forces and fields from several charges add as vectors.

Carica dopo il contatto

q′ = (5 + 6)/2 = 5,5 µC

Nuova forza

F = 8,99 × 10⁹·(5,5 × 10⁻⁶)²/0,4² = 1,7 N

Risposta

F = 1,7 N

Ora entrambe le sfere hanno lo stesso segno, quindi si respingono.

2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: F = 225,2 N

Legge di Coulomb: due cariche puntiformi si attraggono o si respingono con F = k·|q₁·q₂|/r², con k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C². Il campo di una carica puntiforme è E = k·|q|/r², diretto in verso uscente da una carica positiva ed entrante in una carica negativa. Forze e campi dovuti a più cariche si sommano come vettori.

Ogni forza su q₃

F1 = k·3·5 × 10⁻¹²/0,1² = 13,48 N
F2 = k·8·5 × 10⁻¹²/0,04² = 224,7 N

Somma vettoriale

F = √(13,48² + 224,7²) = 225,2 N

Risposta

F = 225,2 N
3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 7 Ω

Resistori in serie e in parallelo: in serie la stessa corrente attraversa ogni resistore e R = R₁ + R₂ + …. In parallelo ogni resistore ha la stessa tensione e 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Una rete a scala si riduce una coppia alla volta finché resta un’unica resistenza equivalente.

R1​ = 5 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩAR4​4 ΩB

Combina i resistori partendo dall’estremo lontano

Parti dall’estremo più lontano dal generatore e torna verso di esso. I resistori percorsi dalla stessa corrente sono in serie; i resistori tra gli stessi due nodi sono in parallelo.

R3 + R4 = 2 + 4 = 6 Ω
R2 ∥ 6 = 3·6/(3+6) = 2 Ω
Req = R1 + 2 = 5 + 2 = 7 Ω

Risposta

Req = 7 Ω
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR1 = 0,8299 A

Resistori in serie e in parallelo: in serie la stessa corrente attraversa ogni resistore e R = R₁ + R₂ + …. In parallelo ogni resistore ha la stessa tensione e 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Una rete a scala si riduce una coppia alla volta finché resta un’unica resistenza equivalente.

R1​ = 8 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​8 ΩAR4​4 ΩBR6​15 Ω

Combina i resistori partendo dall’estremo lontano

Parti dall’estremo più lontano dal generatore e torna verso di esso. I resistori percorsi dalla stessa corrente sono in serie; i resistori tra gli stessi due nodi sono in parallelo.

R5 + R6 = 15 + 15 = 30 Ω
R4 ∥ 30 = 3,529 Ω
R3 + 3,529 = 33,53 Ω
R2 ∥ 33,53 = 6,459 Ω
Req = R1 + 6,459 = 8 + 6,459 = 14,46 Ω

Corrente dal generatore

Il generatore vede solo Req, quindi la legge di Ohm dà la corrente che eroga. Quella corrente scorre in R₁.

IR1 = V1/Req = 12/14,46 = 0,8299 A

Risposta

IR1 = 0,8299 A
5.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 2,9 V

Transitori del primo ordine: in un circuito con un solo condensatore o un solo induttore, ogni tensione e corrente passa esponenzialmente dal valore iniziale a quello finale: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, con τ = RC o τ = L/R. Dopo circa 5τ il circuito si è assestato.

Equivalente di Thévenin visto dal condensatore

Cortocircuita il generatore per trovare Rth; apri il condensatore per trovare la tensione a cui si stabilizzerà.

Rth = R1 ∥ R2 = 10·2,2/(10 + 2,2) = 1,803 kΩ
vC(∞) = 24·2,2/(10 + 2,2) = 4,328 V

Costante di tempo

τ = Rth·C = 1,803·10 = 18,03 ms

Curva di carica

vC(t) = 4,328·(1 − e−20/18,03) = 2,9 V

Risposta

vC = 2,9 V
6.Transitori RC e RL

Risposta: t = 53,11 ms

Transitori del primo ordine: in un circuito con un solo condensatore o un solo induttore, ogni tensione e corrente passa esponenzialmente dal valore iniziale a quello finale: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, con τ = RC o τ = L/R. Dopo circa 5τ il circuito si è assestato.

Valore iniziale, valore finale, costante di tempo

La tensione del condensatore non può saltare, quindi parte dal valore immagazzinato e tende alla tensione del generatore.

vC(0) = 12 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 10 µF = 33 ms
vC(t) = 9 + (12 − 9)·e−t/τ

Risolvi per il tempo

9,6 = 9 + (3)·e−t/τ → e−t/τ = (9,6 − 9)/(12 − 9) = 0,2
t = τ·ln((12 − 9)/(9,6 − 9)) = 33·ln(5) = 53,11 ms

Risposta

t = 53,11 ms
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: I = 20 mA

Induzione elettromagnetica: il flusso attraverso una spira è Φ = BA·cos θ, con θ tra B e la normale alla spira. Legge di Faraday: una variazione di flusso induce una f.e.m. = −N·dΦ/dt in una bobina di N spire, e la legge di Lenz dice che la corrente indotta scorre in modo che il suo campo si opponga alla variazione. Un’asta che si muove attraverso un campo dà una f.e.m. = BLv. Una bobina che ruota con ω dà e = NBAω·sin ωt, con picco NBAω. Autoinduttanza: f.e.m. = −L·di/dt, con L = μ₀N²A/l per un solenoide lungo, e l’energia immagazzinata è W = ½LI². Due bobine accoppiate: f.e.m.₂ = −M·di₁/dt con M = k√(L₁L₂).

Variazione di flusso per spira

ΔΦ = (0,3 − 0,2)·0,01 = 0,001 Wb

F.e.m. media

ε = NΔΦ/Δt = 50·0,001/0,5 = 0,1 V

Corrente

I = ε/R = 0,1/5 = 0,02 A

Risposta

I = 20 mA
8.Campi magnetici e induzione

Risposta: v = 800000 m/s

Forze magnetiche: un filo rettilineo percorso da I in un campo B risente di F = BIL·sin θ, e una carica in movimento di F = |q|vB·sin θ, dove θ è l’angolo tra la corrente (o la velocità) e B. La forza è perpendicolare a entrambi: punta le dita della mano destra lungo I o v, piegale verso B, e il pollice indica F per una carica positiva; invertila per una carica negativa. Poiché F è perpendicolare a v, una carica che si muove attraverso un campo uniforme descrive una circonferenza: |q|vB = mv²/r dà r = mv/(|q|B) e il periodo T = 2πm/(|q|B), che non dipende dalla velocità. Due fili paralleli si attraggono per correnti nello stesso verso: F/L = μ₀I₁I₂/(2πd).

Velocità selezionata

Senza deviazione: la forza elettrica qE bilancia la forza magnetica qvB.

v = E/B1 = 2 × 10⁵/0,25 = 800000 m/s

Risposta

v = 800000 m/s
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: φ = 38,51 °

Circuiti AC con i fasori: resistori, induttori e condensatori hanno impedenze R, jωL e 1/(jωC), con ω = 2πf. In serie le impedenze si sommano come resistenze, ma come numeri complessi. Corrente e tensione efficaci seguono la legge di Ohm con |Z|.

Reattanza

XL = ωL = 2π·50·0,1 = 31,42 Ω

Correnti di ramo

Entrambi i rami sono collegati direttamente all’alimentazione, quindi ognuno vede l’intera tensione V.

IR = V/R = 24/25 = 0,96 A
IX = V/XL = 24/31,42 = 0,7639 A

Corrente totale

La corrente nel resistore è in fase con V e la corrente reattiva è sfasata di 90°, quindi si sommano come i cateti di un triangolo rettangolo.

I = √(IR² + IX²) = √(0,96² + 0,7639²) = 1,227 A

Angolo di fase

La corrente nell’induttore è in ritardo su V, quindi la corrente totale è in ritardo e l’angolo è positivo.

φ = arctan(IX/IR) = arctan(0,7639/0,96) = 38,51°

Risposta

φ = 38,51°
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: VC = 2,222 V

Circuiti AC con i fasori: resistori, induttori e condensatori hanno impedenze R, jωL e 1/(jωC), con ω = 2πf. In serie le impedenze si sommano come resistenze, ma come numeri complessi. Corrente e tensione efficaci seguono la legge di Ohm con |Z|.

Reattanze

ω = 2πf = 2π·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,05 = 157,1 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·47·10⁻⁶) = 6,773 Ω

Impedenza

In serie le impedenze si sommano come numeri complessi: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(25² + (150,3)²) = 152,4 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 50/152,4 = 0,3281 A

Tensione sul condensatore

VC = I·XC = 0,3281·6,773 = 2,222 V

Risposta

VC = 2,222 V

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