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++6 µCP50 cm

Una carica di +2 µC e una carica di +6 µC si trovano a 50 cm di distanza. Il punto P si trova sulla congiungente, tra le due cariche, a 12,5 cm dalla prima. Trova il modulo del campo elettrico E in P.

q1 = +2 µCq2 = +6 µCr1 = 12,5 cmr2 = 37,5 cm
E = N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
++P2 × 10 cm12 cm+8 µC+8 µC

Cariche di +8 µC e +8 µC distano 20 cm. Il punto P si trova a 12 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 = 20 cmh = 12 cm
E = N/C
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 10 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩIR2​AR4​8 ΩB

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 30 VR1 = 10 ΩR2 = 10 ΩR3 = 10 ΩR4 = 8 Ω
IR2 = A
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 5 ΩIR1​R3​ = 4 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAR4​6 ΩBR6​15 Ω

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

V1 = 24 VR1 = 5 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 ΩR4 = 6 ΩR5 = 2 ΩR6 = 15 Ω
IR1 = A
5.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​30 Vt = 0R1​ = 1 kΩR2​ = 6,8 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 = 50 ms.

Vs = 30 VR1 = 1 kΩR2 = 6,8 kΩC = 22 µFt = 50 ms
vC = V
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​15 Vt = 0R = 3,3 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 5 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 5 V con la polarità indicata. Trova la tensione del condensatore vC in t = 200 ms.

Vs = 15 VR = 3,3 kΩC = 100 µFvC(0) = 5 Vt = 200 ms
vC = V
7.Campi magnetici e induzioneMedia
nBA = 10 cm², N = 50B: 0,1 → 0,4 T

Una bobina di 50 spire ha un’area di 10 cm². Un campo uniforme perpendicolare alla bobina sale in modo costante da 0,1 T a 0,4 T in 500 ms. Trova la f.e.m. indotta media ε.

N = 50A = 10 cm²B: 0,1 T → 0,4 TΔt = 500 ms
ε = mV
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
V = 2500 VB = 0,5 Tr = ?

Un protone 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 0,5 T. Trova il raggio r della sua traiettoria nel campo.

m = 1,673 × 10⁻²⁷ kg|q| = 1,602 × 10⁻¹⁹ CV = 2500 VB = 0,5 T
r = cm
9.Impedenza AC e fasoriMedia
100 V500 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 1 µF

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 100 V (efficaci), 500 Hz. Trova l’angolo di fase φ dell’impedenza, in gradi (positivo quando la corrente è in ritardo sulla tensione).

V = 100 V (rms)f = 500 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 1 µF
φ = °
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
50 V500 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 1 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 = 40 ΩL = 20 mHC = 1 µF
VC = V

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 767147 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·2 × 10⁻⁶/0,125² = 1,151 × 10⁶ N/C
E2 = k·6 × 10⁻⁶/0,375² = 383573 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 = |1,151 × 10⁶ − 383573| = 767147 N/C

Risposta

E = 767147 N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 4,529 × 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 = √(10² + 12²) = 15,62 cm
E1 = k·8 × 10⁻⁶/0,1562² = 2,948 × 10⁶ N/C

Componenti

Le componenti lungo la retta che unisce le cariche si annullano.

E = 2·E1·(h/r) = 2·2,948 × 10⁶·0,7682 = 4,529 × 10⁶ N/C

Risposta

E = 4,529 × 10⁶ N/C

Il campo è diretto lungo l’asse, allontanandosi dalle cariche.

3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 1,174 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​ = 10 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAR4​8 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 = 10 + 8 = 18 Ω
R2 ∥ 18 = 10·18/(10+18) = 6,429 Ω
Req = R1 + 6,429 = 10 + 6,429 = 16,43 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 = 30/16,43 = 1,826 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 = 30 − 1,826·10 = 11,74 V
IR2 = VA/R2 = 11,74/10 = 1,174 A

Risposta

IR2 = 1,174 A
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR1 = 2,195 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​ = 5 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAR4​6 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 = 2 + 15 = 17 Ω
R4 ∥ 17 = 4,435 Ω
R3 + 4,435 = 8,435 Ω
R2 ∥ 8,435 = 5,933 Ω
Req = R1 + 5,933 = 5 + 5,933 = 10,93 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 = 24/10,93 = 2,195 A

Risposta

IR1 = 2,195 A
5.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 24,22 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 = 1·6,8/(1 + 6,8) = 0,8718 kΩ
vC(∞) = 30·6,8/(1 + 6,8) = 26,15 V

Costante di tempo

τ = Rth·C = 0,8718·22 = 19,18 ms

Curva di carica

vC(t) = 26,15·(1 − e−50/19,18) = 24,22 V

Risposta

vC = 24,22 V
6.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 9,545 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) = 5 V, vC(∞) = Vs = 15 V
τ = R·C = 3,3 kΩ · 100 µF = 330 ms
vC(t) = 15 + (5 − 15)·e−t/τ

Tensione all’istante dato

vC(200) = 15 + (−10)·e−200/330 = 9,545 V

Risposta

vC = 9,545 V
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: ε = 30 mV

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 = (0,4 − 0,1)·0,001 = 0,0003 Wb

F.e.m. media

ε = NΔΦ/Δt = 50·0,0003/0,5 = 0,03 V

Risposta

ε = 30 mV
8.Campi magnetici e induzione

Risposta: r = 1,445 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/(1,673 × 10⁻²⁷)) = 691940 m/s

Raggio nel campo

r = mv/(|q|B) = 0,01445 m = 1,445 cm

Risposta

r = 1,445 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: φ = −69,59 °

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/(3142·1·10⁻⁶) = 318,3 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (−161,2)²) = 172 Ω

Angolo di fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−161,2/60) = −69,59°

Risposta

φ = −69,59°
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: VC = 61,55 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 = 3142·0,02 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·1·10⁻⁶) = 318,3 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (−255,5)²) = 258,6 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 50/258,6 = 0,1934 A

Tensione sul condensatore

VC = I·XC = 0,1934·318,3 = 61,55 V

Risposta

VC = 61,55 V

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