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
++2 µC++4 µC−−4 µC5 cm + 5 cm

Tre cariche puntiformi giacciono su una retta: +2 µC a sinistra, −4 µC a destra a 10 cm di distanza, e +4 µC tra loro, a 5 cm dalla carica di sinistra. Trova il modulo della forza elettrica risultante F sulla carica centrale. Use k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².

qL = +2 µCqR = −4 µCqM = +4 µCrL = 5 cmrR = 5 cm
F = N
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
8 cm3 cm+q1​ = +10 µC+q3​ = +6 µC+q2​ = +10 µC

Tre cariche puntiformi positive si trovano ai vertici di un triangolo rettangolo: q₃ = 6 µC è nel vertice dell’angolo retto, q₁ = 10 µC si trova a 8 cm da essa lungo un cateto e q₂ = 10 µC a 3 cm da essa lungo l’altro cateto. Trova il modulo della forza elettrica risultante F su q₃.

q1 = 10 µCq2 = 10 µCq3 = 6 µCr13 = 8 cmr23 = 3 cm
F = N
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 2 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩAR4​20 ΩB

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 9 VR1 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 4 ΩR4 = 20 Ω
Req = Ω
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 8 ΩIR1​R3​ = 15 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​15 VR2​30 ΩAR4​25 ΩBR6​4 Ω

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

V1 = 15 VR1 = 8 ΩR2 = 30 ΩR3 = 15 ΩR4 = 25 ΩR5 = 30 ΩR6 = 4 Ω
IR1 = A
5.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​6 Vt = 0R1​ = 1 kΩR2​ = 4,7 kΩC220 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 costante di tempo τ del circuito dopo la chiusura dell’interruttore.

Vs = 6 VR1 = 1 kΩR2 = 4,7 kΩC = 220 µF
τ = ms
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​5 Vt = 0R = 3,3 kΩC47 µF+−vC​vC​(0) = 6 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 6 V con la polarità indicata. Quanto tempo serve perché vC raggiunga 5,4 V? Trova t.

Vs = 5 VR = 3,3 kΩC = 47 µFvC(0) = 6 V
t = ms
7.Campi magnetici e induzioneMedia
R = 4 Ωv = 4 m/sL = 50 cmB = 0,8 T

Un’asta metallica lunga 50 cm scorre a 4 m/s lungo due rotaie in un campo uniforme di 0,8 T entrante nella pagina. Le rotaie sono collegate da un resistore da 4 Ω; l’asta e le rotaie hanno resistenza trascurabile. Trova la potenza P dissipata nel resistore.

B = 0,8 TL = 50 cmv = 4 m/sR = 4 Ω
P = mW
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
V = 2500 VB = 0,3 Tr = ?

Un deutone parte da fermo, viene accelerato attraverso una differenza di potenziale di 2500 V e poi entra ad angolo retto in un campo magnetico uniforme di 0,3 T. Trova il raggio r della sua traiettoria nel campo.

m = 3,344 × 10⁻²⁷ kg|q| = 1,602 × 10⁻¹⁹ CV = 2500 VB = 0,3 T
r = cm
9.Impedenza AC e fasoriMedia
120 V100 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 22 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 120 V (efficaci), 100 Hz. Trova il fattore di potenza cos φ del circuito.

V = 120 V (rms)f = 100 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 22 µF
cos φ =
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
VfR = 2 ΩL = 1 mHC = 0,22 µF

Un circuito RLC serie ha R = 2 Ω, L = 1 mH e C = 0,22 µF. Trova la sua larghezza di banda B (l’ampiezza della banda tra le frequenze a metà potenza), in Hz.

R = 2 ΩL = 1 mHC = 0,22 µF
B = Hz

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: F = 86,3 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.

Forza di ciascuna carica

Il verso verso destra è positivo.

FL = +k·2·4 × 10⁻¹²/0,05² = 28,77 N
FR = +k·4·4 × 10⁻¹²/0,05² = 57,54 N

Forza risultante

F = 28,77 + (57,54) = 86,3 N → |F| = 86,3 N

Risposta

F = 86,3 N

La forza risultante è diretta verso destra.

2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: F = 605,2 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·10·6 × 10⁻¹²/0,08² = 84,28 N
F2 = k·10·6 × 10⁻¹²/0,03² = 599,3 N

Somma vettoriale

F = √(84,28² + 599,3²) = 605,2 N

Risposta

F = 605,2 N
3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 6,138 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​ = 2 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩAR4​20 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 + 20 = 24 Ω
R2 ∥ 24 = 5·24/(5+24) = 4,138 Ω
Req = R1 + 4,138 = 2 + 4,138 = 6,138 Ω

Risposta

Req = 6,138 Ω
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR1 = 0,6564 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​ = 15 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​15 VR2​30 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 = 30 + 4 = 34 Ω
R4 ∥ 34 = 14,41 Ω
R3 + 14,41 = 29,41 Ω
R2 ∥ 29,41 = 14,85 Ω
Req = R1 + 14,85 = 8 + 14,85 = 22,85 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 = 15/22,85 = 0,6564 A

Risposta

IR1 = 0,6564 A
5.Transitori RC e RL

Risposta: τ = 181,4 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.

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 = 1·4,7/(1 + 4,7) = 0,8246 kΩ
vC(∞) = 6·4,7/(1 + 4,7) = 4,947 V

Costante di tempo

τ = Rth·C = 0,8246·220 = 181,4 ms

Risposta

τ = 181,4 ms
6.Transitori RC e RL

Risposta: t = 142,1 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) = 6 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 47 µF = 155,1 ms
vC(t) = 5 + (6 − 5)·e−t/τ

Risolvi per il tempo

5,4 = 5 + (1)·e−t/τ → e−t/τ = (5,4 − 5)/(6 − 5) = 0,4
t = τ·ln((6 − 5)/(5,4 − 5)) = 155,1·ln(2,5) = 142,1 ms

Risposta

t = 142,1 ms
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: P = 640 mW

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 = 0,8·0,5·4 = 1,6 V

Corrente

I = ε/R = 1,6/4 = 0,4 A

Potenza

P = εI = 1,6·0,4 = 0,64 W

Risposta

P = 640 mW
8.Campi magnetici e induzione

Risposta: r = 3,405 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).

Velocità dopo l’accelerazione

v = √(2|q|V/m) = √(2·1,602 × 10⁻¹⁹·2500/(3,344 × 10⁻²⁷)) = 489422 m/s

Raggio nel campo

r = mv/(|q|B) = 0,03405 m = 3,405 cm

Risposta

r = 3,405 cm

In combinazione: r = √(2mV/|q|)/B, quindi gli ioni più pesanti con la stessa carica descrivono circonferenze più grandi; così si separano gli isotopi.

9.Impedenza AC e fasori

Risposta: cos φ = 0,5912

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

XL = 31,42 Ω, XC = 72,34 Ω

Impedenza

|Z| = √(30² + (−40,93)²) = 50,74 Ω

Fattore di potenza

cos φ = R/|Z| = 30/50,74 = 0,5912
Il circuito è capacitivo, quindi il fattore di potenza è capacitivo (in anticipo).

Risposta

cos φ = 0,5912
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: B = 318,3 Hz

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|.

Frequenza di risonanza

f0 = 1/(2π·√(0,001·0,22·10⁻⁶)) = 10730 Hz

Fattore di qualità

Q confronta la reattanza in risonanza con la resistenza: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/2)·√(0,001/(0,22·10⁻⁶)) = 33,71

Larghezza di banda

B = f0/Q = 10730/33,71 = 318,3 Hz

Risposta

B = 318,3 Hz

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