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
++3 µC++4 µCE = 040 cm

Cariche di +3 µC e +4 µC distano 40 cm. A quale distanza x dalla carica di +3 µC, sul segmento che le unisce, il campo elettrico è nullo?

q1 = +3 µCq2 = +4 µCd = 40 cm
x = cm
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
8 cm6 cm+q1​ = +4 µC+q3​ = +1 µC+q2​ = +1 µC

Tre cariche puntiformi positive si trovano ai vertici di un triangolo rettangolo: q₃ = 1 µC è nel vertice dell’angolo retto, q₁ = 4 µC si trova a 8 cm da essa lungo un cateto e q₂ = 1 µC a 6 cm da essa lungo l’altro cateto. Trova il modulo della forza elettrica risultante F su q₃.

q1 = 4 µCq2 = 1 µCq3 = 1 µCr13 = 8 cmr23 = 6 cm
F = N
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩAR4​2 ΩB

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 12 VR1 = 6 ΩR2 = 15 ΩR3 = 4 ΩR4 = 2 Ω
Req = Ω
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 4 ΩIR1​R3​ = 10 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​4 ΩAR4​25 ΩBR6​15 Ω

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

V1 = 6 VR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 10 ΩR4 = 25 ΩR5 = 8 ΩR6 = 15 Ω
IR1 = A
5.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​6 Vt = 0R = 68 ΩL100 mHi(t)

L’induttore non porta corrente prima che l’interruttore si chiuda in t = 0. Trova la corrente i in t = 1 ms.

Vs = 6 VR = 68 ΩL = 100 mHt = 1 ms
i = A
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​12 Vsi apre a t = 0R1​ = 2,2 kΩR2​ = 3,3 kΩi2​C47 µF+−vC​

L’interruttore è chiuso da molto tempo, quindi il circuito è a regime. A t = 0 l’interruttore si apre. Trova la corrente i2 in R2 a t = 100 ms.

Vs = 12 VR1 = 2,2 kΩR2 = 3,3 kΩC = 47 µFt = 100 ms
i2 = mA
7.Campi magnetici e induzioneMedia
+v = 4 × 10⁶ m/sr = ?B = 0,5 T

Un protone si muove a 4 × 10⁶ m/s perpendicolarmente a un campo magnetico uniforme di 0,5 T. Trova il raggio r della sua traiettoria circolare.

m = 1,673 × 10⁻²⁷ kg|q| = 1,602 × 10⁻¹⁹ Cv = 4 × 10⁶ m/sB = 0,5 T
r = cm
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
Bn = 1200 rpm10 cm × 10 cmN = 200B = 0,3 T

Una bobina di 200 spire, 10 cm × 10 cm, ruota a 1200 giri/min in un campo uniforme di 0,3 T attorno a un asse perpendicolare al campo. Trova la f.e.m. di picco E0.

N = 200A = 10 cm × 10 cmB = 0,3 Tn = 1200 rpm
E0 = V
9.Impedenza AC e fasoriMedia
120 V500 HzR = 30 ΩL = 20 mHC = 10 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 120 V (efficaci), 500 Hz. Trova la corrente efficace I.

V = 120 V (rms)f = 500 HzR = 30 ΩL = 20 mHC = 10 µF
I = A
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
230 V100 HzR = 80 ΩL = 20 mHC = 4,7 µF+−VC​

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 230 V (efficaci), 100 Hz. Trova la tensione efficace VC ai capi del condensatore.

V = 230 V (rms)f = 100 HzR = 80 ΩL = 20 mHC = 4,7 µF
VC = V

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: x = 18,56 cm

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.

Campi uguali

3/x² = 4/(40 − x)²
(40 − x)/x = √(4/3) = 1,155

Posizione

x = 40/(1 + 1,155) = 18,56 cm

Risposta

x = 18,56 cm

Il punto di campo nullo è sempre più vicino alla carica minore.

2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: F = 6,149 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·4·1 × 10⁻¹²/0,08² = 5,619 N
F2 = k·1·1 × 10⁻¹²/0,06² = 2,497 N

Somma vettoriale

F = √(5,619² + 2,497²) = 6,149 N

Risposta

F = 6,149 N
3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 10,29 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​ = 6 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩAR4​2 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 = 4 + 2 = 6 Ω
R2 ∥ 6 = 15·6/(15+6) = 4,286 Ω
Req = R1 + 4,286 = 6 + 4,286 = 10,29 Ω

Risposta

Req = 10,29 Ω
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR1 = 0,8126 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​ = 4 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​4 ΩAR4​25 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 = 8 + 15 = 23 Ω
R4 ∥ 23 = 11,98 Ω
R3 + 11,98 = 21,98 Ω
R2 ∥ 21,98 = 3,384 Ω
Req = R1 + 3,384 = 4 + 3,384 = 7,384 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 = 6/7,384 = 0,8126 A

Risposta

IR1 = 0,8126 A
5.Transitori RC e RL

Risposta: i = 0,04353 A

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.

Costante di tempo e corrente finale

Molto tempo dopo la chiusura dell’interruttore l’induttore si comporta come un cortocircuito, quindi la corrente finale dipende solo da R.

τ = L/R = 100 mH / 68 Ω = 1,471 ms
i(∞) = Vs/R = 6/68 = 0,08824 A

Corrente all’istante dato

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,08824·(1 − e−1/1,471) = 0,04353 A

Risposta

i = 0,04353 A
6.Transitori RC e RL

Risposta: i2 = 1,145 mA

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.

Tensione iniziale del condensatore

A regime il condensatore è un circuito aperto, quindi R₁ e R₂ formano un partitore di tensione. La tensione del condensatore non può variare bruscamente quando l’interruttore si apre.

vC(0) = 12·3,3/(2,2 + 3,3) = 7,2 V

Costante di tempo dopo l’apertura dell’interruttore

τ = R2·C = 3,3·47 = 155,1 ms

Scarica

vC(t) = 7,2·e−100/155,1 = 3,779 V
i2 = vC/R2 = 3,779/3,3 = 1,145 mA

Risposta

i2 = 1,145 mA
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: r = 8,355 cm

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).

Equilibrio delle forze

La forza magnetica è sempre perpendicolare alla velocità, quindi incurva la traiettoria in una circonferenza.

|q|vB = mv²/r → r = mv/(|q|B)

Raggio

r = 1,673 × 10⁻²⁷·4 × 10⁶/(1,602 × 10⁻¹⁹·0,5) = 0,08355 m = 8,355 cm

Risposta

r = 8,355 cm
8.Campi magnetici e induzione

Risposta: E0 = 75,4 V

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).

Velocità angolare e area

ω = 2π·1200/60 = 125,7 rad/s
A = 0,01 m²

F.e.m. di picco

E₀ = NBAω = 200·0,3·0,01·125,7 = 75,4 V

Risposta

E0 = 75,4 V
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 2,782 A

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 = 3142·0,02 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·10·10⁻⁶) = 31,83 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(30² + (31)²) = 43,14 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 120/43,14 = 2,782 A

Risposta

I = 2,782 A
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: VC = 232 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·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,02 = 12,57 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·4,7·10⁻⁶) = 338,6 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (−326,1)²) = 335,7 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 230/335,7 = 0,6851 A

Tensione sul condensatore

VC = I·XC = 0,6851·338,6 = 232 V

Risposta

VC = 232 V

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