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
++4 µC−−4 µCP40 cm

Una carica di +4 µC e una carica di −4 µC si trovano a 40 cm di distanza. Il punto P si trova sulla congiungente, tra le due cariche, a 20 cm dalla prima. Trova il modulo del campo elettrico E in P.

q1 = +4 µCq2 = −4 µCr1 = 20 cmr2 = 20 cm
E = N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
L = 60 cm20°qq

Due palline identiche, ciascuna di massa 1 g, sono appese allo stesso punto con fili isolanti lunghi 60 cm. Ricevono cariche uguali e ogni filo si assesta a 20° dalla verticale. Usa g = 9,81 m/s². Trova la carica q su ciascuna pallina in nC. Use k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².

m = 1 gL = 60 cmθ = 20°g = 9,81 m/s²
q = nC
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 8 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAR4​6 ΩB

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 4 ΩR3 = 8 ΩR4 = 6 Ω
Req = Ω
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 25 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩIR2​AR4​25 ΩBR6​4 Ω

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 9 VR1 = 25 ΩR2 = 3 ΩR3 = 8 ΩR4 = 25 ΩR5 = 6 ΩR6 = 4 Ω
IR2 = A
5.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​9 Vt = 0R1​ = 10 kΩR2​ = 3,3 kΩC22 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 = 25 ms.

Vs = 9 VR1 = 10 kΩR2 = 3,3 kΩC = 22 µFt = 25 ms
vC = V
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​20 Vt = 0R = 4,7 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 30 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 30 V con la polarità indicata. Trova la tensione del condensatore vC in t = 200 ms.

Vs = 20 VR = 4,7 kΩC = 68 µFvC(0) = 30 Vt = 200 ms
vC = V
7.Campi magnetici e induzioneMedia
R = 1 Ωv = 1 m/sL = 50 cmB = 0,1 T

Un’asta metallica lunga 50 cm scorre a 1 m/s lungo due rotaie in un campo uniforme di 0,1 T entrante nella pagina. Le rotaie sono collegate da un resistore da 1 Ω; l’asta e le rotaie hanno resistenza trascurabile. Trova la forza F necessaria per mantenere l’asta in movimento a velocità costante (senza attrito).

B = 0,1 TL = 50 cmv = 1 m/sR = 1 Ω
F = mN
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
Bn = 1800 rpm5 cm × 10 cmN = 250B = 0,4 T

Una bobina di 250 spire, 5 cm × 10 cm, ruota a 1800 giri/min in un campo uniforme di 0,4 T attorno a un asse perpendicolare al campo. Trova la f.e.m. di picco E0.

N = 250A = 5 cm × 10 cmB = 0,4 Tn = 1800 rpm
E0 = V
9.Impedenza AC e fasoriMedia
Vf0​ = 200 HzRL = 5 mHC = ?

Un circuito RLC serie con L = 5 mH deve entrare in risonanza a 200 Hz. Trova la capacità C necessaria.

f0 = 200 HzL = 5 mH
C = µF
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
24 V60 HzR = 60 ΩL = 100 mHC = 22 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 24 V (efficaci), 60 Hz. Trova la corrente efficace I.

V = 24 V (rms)f = 60 HzR = 60 ΩL = 100 mHC = 22 µF
I = A

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 1,798 × 10⁶ N/C

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.

Campo di ciascuna carica

E1 = k·4 × 10⁻⁶/0,2² = 899000 N/C
E2 = k·4 × 10⁻⁶/0,2² = 899000 N/C

Versi e somma

Il primo campo è diretto lontano dalla carica positiva e il secondo verso la carica negativa: entrambi hanno lo stesso verso.

E = |899000 + 899000| = 1,798 × 10⁶ N/C

Risposta

E = 1,798 × 10⁶ N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: q = 258,7 nC

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.

Forza elettrica dall’equilibrio

La parte orizzontale della tensione equilibra F, la parte verticale equilibra m·g.

F = m·g·tan θ = 0,001·9,81·tan 20° = 0,003571 N

Distanza

r = 2·L·sin θ = 2·0,6·sin 20° = 0,4104 m

Carica

F = k·q²/r² → q = r·√(F/k) = 0,4104·√(0,003571/8,99 × 10⁹) = 2,587 × 10⁻⁷ C = 258,7 nC

Risposta

q = 258,7 nC
3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 11,11 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​ = 8 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAR4​6 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 = 8 + 6 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 4·14/(4+14) = 3,111 Ω
Req = R1 + 3,111 = 8 + 3,111 = 11,11 Ω

Risposta

Req = 11,11 Ω
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 0,2731 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​ = 25 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​9 VR2​3 ΩAR4​25 ΩBR6​4 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 = 6 + 4 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 7,143 Ω
R3 + 7,143 = 15,14 Ω
R2 ∥ 15,14 = 2,504 Ω
Req = R1 + 2,504 = 25 + 2,504 = 27,5 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 = 9/27,5 = 0,3272 A

Corrente in R₂

Sottrai la caduta su R₁ per ottenere la tensione al nodo A, che è la tensione ai capi di R₂.

VA = V1 − IR1·R1 = 9 − 0,3272·25 = 0,8194 V
IR2 = VA/R2 = 0,8194/3 = 0,2731 A

Risposta

IR2 = 0,2731 A
5.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 0,8205 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 = 10·3,3/(10 + 3,3) = 2,481 kΩ
vC(∞) = 9·3,3/(10 + 3,3) = 2,233 V

Costante di tempo

τ = Rth·C = 2,481·22 = 54,59 ms

Curva di carica

vC(t) = 2,233·(1 − e−25/54,59) = 0,8205 V

Risposta

vC = 0,8205 V
6.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 25,35 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.

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) = 30 V, vC(∞) = Vs = 20 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 68 µF = 319,6 ms
vC(t) = 20 + (30 − 20)·e−t/τ

Tensione all’istante dato

vC(200) = 20 + (10)·e−200/319,6 = 25,35 V

Risposta

vC = 25,35 V
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: F = 2,5 mN

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).

F.e.m. di movimento

ε = BLv = 0,1·0,5·1 = 0,05 V

Corrente

I = ε/R = 0,05/1 = 0,05 A

Forza frenante

Legge di Lenz: la forza sulla corrente indotta si oppone al moto.

F = BIL = 0,1·0,05·0,5 = 0,0025 N

Risposta

F = 2,5 mN
8.Campi magnetici e induzione

Risposta: E0 = 94,25 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·1800/60 = 188,5 rad/s
A = 0,005 m²

F.e.m. di picco

E₀ = NBAω = 250·0,4·0,005·188,5 = 94,25 V

Risposta

E0 = 94,25 V
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: C = 126,7 µF

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|.

Condizione di risonanza

In risonanza le reattanze induttiva e capacitiva si annullano: ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·200 = 1257 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(1257²·0,005) = 126,7 µF

Risposta

C = 126,7 µF
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 0,2346 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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,1 = 37,7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·22·10⁻⁶) = 120,6 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (−82,87)²) = 102,3 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 24/102,3 = 0,2346 A

Risposta

I = 0,2346 A

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