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++3 µCE = 060 cm

Cariche di +4 µC e +3 µC distano 60 cm. A quale distanza x dalla carica di +4 µC, sul segmento che le unisce, il campo elettrico è nullo?

q1 = +4 µCq2 = +3 µCd = 60 cm
x = cm
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
L = 30 cm8°qq

Due palline identiche, ciascuna di massa 8 g, sono appese allo stesso punto con fili isolanti lunghi 30 cm. Ricevono cariche uguali e ogni filo si assesta a 8° 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 = 8 gL = 30 cmθ = 8°g = 9,81 m/s²
q = nC
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 2 ΩIR1​R3​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAR4​6 ΩB

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

V1 = 15 VR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 5 ΩR4 = 6 Ω
IR1 = A
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 15 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​8 ΩIR2​AR4​8 ΩBR6​3 Ω

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 18 VR1 = 15 ΩR2 = 8 ΩR3 = 3 ΩR4 = 8 ΩR5 = 10 ΩR6 = 3 Ω
IR2 = A
5.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​12 Vt = 0R = 50 ΩL47 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 = 12 VR = 50 ΩL = 47 mHt = 1 ms
i = A
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​12 Vt = 0R = 10 kΩC22 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. Trova la tensione del condensatore vC in t = 150 ms.

Vs = 12 VR = 10 kΩC = 22 µFvC(0) = 6 Vt = 150 ms
vC = V
7.Campi magnetici e induzioneMedia
+v = 1,5 × 10⁶ m/sr = ?B = 0,5 T

Una particella alfa si muove a 1,5 × 10⁶ m/s perpendicolarmente a un campo magnetico uniforme di 0,5 T. Trova il raggio r della sua traiettoria circolare.

m = 6,645 × 10⁻²⁷ kg|q| = 3,204 × 10⁻¹⁹ Cv = 1,5 × 10⁶ m/sB = 0,5 T
r = cm
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
Bn = 900 rpm15 cm × 15 cmN = 150B = 0,5 T

Una bobina di 150 spire, 15 cm × 15 cm, ruota a 900 giri/min in un campo uniforme di 0,5 T attorno a un asse perpendicolare al campo. Trova la f.e.m. di picco E0.

N = 150A = 15 cm × 15 cmB = 0,5 Tn = 900 rpm
E0 = V
9.Impedenza AC e fasoriMedia
12 V1000 HzR = 80 ΩL = 50 mHC = 100 µF

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 12 V (efficaci), 1000 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 = 1000 HzR = 80 ΩL = 50 mHC = 100 µF
φ = °
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
100 V500 HzR1​ = 20 ΩR2​ = 100 ΩC = 10 µF

Un resistore R1 è collegato in serie a un parallelo tra R2 e un condensatore C, a un’alimentazione da 100 V (efficaci), 500 Hz. Trova il modulo dell’impedenza |Z|.

V = 100 V (rms)f = 500 HzR1 = 20 ΩR2 = 100 ΩC = 10 µF
|Z| = Ω

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: x = 32,15 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

4/x² = 3/(60 − x)²
(60 − x)/x = √(3/4) = 0,866

Posizione

x = 60/(1 + 0,866) = 32,15 cm

Risposta

x = 32,15 cm

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

2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: q = 92,49 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 = 0,008·9,81·tan 8° = 0,01103 N

Distanza

r = 2·L·sin θ = 2·0,3·sin 8° = 0,0835 m

Carica

F = k·q²/r² → q = r·√(F/k) = 0,0835·√(0,01103/8,99 × 10⁹) = 9,249 × 10⁻⁸ C = 92,49 nC

Risposta

q = 92,49 nC
3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR1 = 2,55 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​ = 2 ΩR3​ = 5 Ω+−V1​15 VR2​6 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 = 5 + 6 = 11 Ω
R2 ∥ 11 = 6·11/(6+11) = 3,882 Ω
Req = R1 + 3,882 = 2 + 3,882 = 5,882 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 = 15/5,882 = 2,55 A

Risposta

IR1 = 2,55 A
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 0,4726 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​ = 15 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​8 ΩAR4​8 ΩBR6​3 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 = 10 + 3 = 13 Ω
R4 ∥ 13 = 4,952 Ω
R3 + 4,952 = 7,952 Ω
R2 ∥ 7,952 = 3,988 Ω
Req = R1 + 3,988 = 15 + 3,988 = 18,99 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 = 18/18,99 = 0,948 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 = 18 − 0,948·15 = 3,781 V
IR2 = VA/R2 = 3,781/8 = 0,4726 A

Risposta

IR2 = 0,4726 A
5.Transitori RC e RL

Risposta: i = 0,1572 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 = 47 mH / 50 Ω = 0,94 ms
i(∞) = Vs/R = 12/50 = 0,24 A

Corrente all’istante dato

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,24·(1 − e−1/0,94) = 0,1572 A

Risposta

i = 0,1572 A
6.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 8,966 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) = 6 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 10 kΩ · 22 µF = 220 ms
vC(t) = 12 + (6 − 12)·e−t/τ

Tensione all’istante dato

vC(150) = 12 + (−6)·e−150/220 = 8,966 V

Risposta

vC = 8,966 V
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: r = 6,222 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 × 10⁻²⁷·1,5 × 10⁶/(3,204 × 10⁻¹⁹·0,5) = 0,06222 m = 6,222 cm

Risposta

r = 6,222 cm
8.Campi magnetici e induzione

Risposta: E0 = 159 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·900/60 = 94,25 rad/s
A = 0,0225 m²

F.e.m. di picco

E₀ = NBAω = 150·0,5·0,0225·94,25 = 159 V

Risposta

E0 = 159 V
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: φ = 75,64 °

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·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0,05 = 314,2 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·100·10⁻⁶) = 1,592 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (312,6)²) = 322,6 Ω

Angolo di fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(312,6/80) = 75,64°

Risposta

φ = 75,64°
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: |Z| = 41,09 Ω

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·500·10·10⁻⁶) = 31,83 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 = 9,2 − j28,9 Ω

Impedenza totale

Z = 20 + 9,2 − j28,9 = 29,2 − j28,9 Ω
|Z| = √(29,2² + 28,9²) = 41,09 Ω

Risposta

|Z| = 41,09 Ω

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