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
++1 µC++2 µCP30 cm

Una carica di +1 µC e una carica di +2 µC si trovano a 30 cm di distanza. Il punto P si trova sulla congiungente, tra le due cariche, a 18 cm dalla prima. Trova il modulo del campo elettrico E in P.

q1 = +1 µCq2 = +2 µCr1 = 18 cmr2 = 12 cm
E = N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
+−P2 × 6 cm10 cm+8 µC−8 µC

Cariche di +8 µC e −8 µC distano 12 cm. Il punto P si trova a 10 cm dal punto medio tra di esse, sull’asse del segmento. Trova il modulo del campo elettrico E in P. Use k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².

q1 = +8 µCq2 = −8 µCd = 12 cmh = 10 cm
E = N/C
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 12 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​10 ΩAR4​20 ΩB

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 10 VR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 15 ΩR4 = 20 Ω
Req = Ω
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 12 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩAR4​6 ΩBR6​6 Ω

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 15 VR1 = 12 ΩR2 = 8 ΩR3 = 30 ΩR4 = 6 ΩR5 = 30 ΩR6 = 6 Ω
Req = Ω
5.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​20 Vt = 0R = 15 ΩL220 mHi(t)

L’induttore non porta corrente prima che l’interruttore si chiuda in t = 0. Quanto tempo dopo la chiusura dell’interruttore la corrente raggiunge il 50% del suo valore finale? Trova t.

Vs = 20 VR = 15 ΩL = 220 mH
t = ms
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​5 Vt = 0R = 3,3 kΩC22 µF+−vC​vC​(0) = 18 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 18 V con la polarità indicata. Trova la tensione del condensatore vC in t = 150 ms.

Vs = 5 VR = 3,3 kΩC = 22 µFvC(0) = 18 Vt = 150 ms
vC = V
7.Campi magnetici e induzioneMedia
+v = 2 × 10⁵ m/sr = ?B = 0,25 T

Una particella alfa si muove a 2 × 10⁵ m/s perpendicolarmente a un campo magnetico uniforme di 0,25 T. Trova il raggio r della sua traiettoria circolare.

m = 6,645 × 10⁻²⁷ kg|q| = 3,204 × 10⁻¹⁹ Cv = 2 × 10⁵ m/sB = 0,25 T
r = cm
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
L1​ = 20 mH1000 A/sL2​ = 50 mHk = 0,4ε = ?

Due bobine con autoinduttanze di 20 mH e 50 mH hanno un coefficiente di accoppiamento di 0,4. La corrente nella prima bobina varia a 1000 A/s. Trova la f.e.m. ε indotta nella seconda bobina.

L1 = 20 mHL2 = 50 mHk = 0,4di/dt = 1000 A/s
ε = V
9.Impedenza AC e fasoriMedia
12 V200 HzR = 80 ΩC = 22 µFI

Un resistore e un condensatore sono collegati in parallelo a un’alimentazione da 12 V (efficaci), 200 Hz. Trova l’angolo di fase φ dell’impedenza, in gradi (positivo quando la corrente è in ritardo sulla tensione).

V = 12 V (rms)f = 200 HzR = 80 ΩC = 22 µF
φ = °
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
100 V60 HzR1​ = 10 ΩR2​ = 40 ΩC = 22 µFI

Un resistore R1 è collegato in serie a un parallelo tra R2 e un condensatore C, a un’alimentazione da 100 V (efficaci), 60 Hz. Trova la corrente efficace I.

V = 100 V (rms)f = 60 HzR1 = 10 ΩR2 = 40 ΩC = 22 µF
I = A

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 971142 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·1 × 10⁻⁶/0,18² = 277469 N/C
E2 = k·2 × 10⁻⁶/0,12² = 1,249 × 10⁶ N/C

Versi e somma

Entrambe le cariche sono positive: in P ciascun campo è diretto lontano dalla propria carica, quindi i due hanno versi opposti.

E = |277469 − 1,249 × 10⁶| = 971142 N/C

Risposta

E = 971142 N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 5,442 × 10⁶ N/C

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.

Distanza e campo di una carica

r = √(6² + 10²) = 11,66 cm
E1 = k·8 × 10⁻⁶/0,1166² = 5,288 × 10⁶ N/C

Componenti

Le componenti lungo l’asse si annullano.

E = 2·E1·(a/r) = 2·5,288 × 10⁶·0,5145 = 5,442 × 10⁶ N/C

Risposta

E = 5,442 × 10⁶ N/C

Il campo è parallelo alla retta che va dalla carica positiva verso quella negativa.

3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 19,78 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​ = 12 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​10 VR2​10 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 = 15 + 20 = 35 Ω
R2 ∥ 35 = 10·35/(10+35) = 7,778 Ω
Req = R1 + 7,778 = 12 + 7,778 = 19,78 Ω

Risposta

Req = 19,78 Ω
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 18,52 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​ = 12 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩAR4​6 ΩBR6​6 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 + 6 = 36 Ω
R4 ∥ 36 = 5,143 Ω
R3 + 5,143 = 35,14 Ω
R2 ∥ 35,14 = 6,517 Ω
Req = R1 + 6,517 = 12 + 6,517 = 18,52 Ω

Risposta

Req = 18,52 Ω
5.Transitori RC e RL

Risposta: t = 10,17 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.

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 = 220 mH / 15 Ω = 14,67 ms
i(∞) = Vs/R = 20/15 = 1,333 A

Risolvi per il tempo

0,5 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,5)
t = −14,67·ln(0,5) = 10,17 ms

Risposta

t = 10,17 ms
6.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 6,647 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) = 18 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 22 µF = 72,6 ms
vC(t) = 5 + (18 − 5)·e−t/τ

Tensione all’istante dato

vC(150) = 5 + (13)·e−150/72,6 = 6,647 V

Risposta

vC = 6,647 V
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: r = 1,659 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 = 6,645 × 10⁻²⁷·2 × 10⁵/(3,204 × 10⁻¹⁹·0,25) = 0,01659 m = 1,659 cm

Risposta

r = 1,659 cm
8.Campi magnetici e induzione

Risposta: ε = 12,65 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).

Mutua induttanza

M = 0,4·√(20·50) = 12,65 mH

F.e.m. indotta

ε = M·di/dt = 0,01265·1000 = 12,65 V

Risposta

ε = 12,65 V
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: φ = −65,67 °

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

XC = 1/(ωC) = 1/(2π·200·22·10⁻⁶) = 36,17 Ω

Correnti di ramo

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

IR = V/R = 12/80 = 0,15 A
IX = V/XC = 12/36,17 = 0,3318 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) = √(0,15² + 0,3318²) = 0,3641 A

Angolo di fase

La corrente nel condensatore è in anticipo su V, quindi la corrente totale è in anticipo e l’angolo è negativo.

φ = −arctan(IX/IR) = −arctan(0,3318/0,15) = −65,67°

Risposta

φ = −65,67°
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 2,103 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|.

Reattanza

XC = 1/(2π·60·22·10⁻⁶) = 120,6 Ω

Combinazione in parallelo

Moltiplica numeratore e denominatore per il complesso coniugato per separare Zp in parte reale e parte immaginaria.

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 36,03 − j11,95 Ω

Impedenza totale

Z = 10 + 36,03 − j11,95 = 46,03 − j11,95 Ω
|Z| = √(46,03² + 11,95²) = 47,56 Ω

Corrente

I = V/|Z| = 100/47,56 = 2,103 A

Risposta

I = 2,103 A

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