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
++5 µC−−2 µCP20 cm

Una carica di +5 µC e una carica di −2 µC si trovano a 20 cm di distanza. Il punto P si trova sulla congiungente, tra le due cariche, a 15 cm dalla prima. Trova il modulo del campo elettrico E in P.

q1 = +5 µCq2 = −2 µCr1 = 15 cmr2 = 5 cm
E = N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
+−P2 × 3 cm8 cm+4 µC−4 µC

Cariche di +4 µC e −4 µC distano 6 cm. Il punto P si trova a 8 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 = +4 µCq2 = −4 µCd = 6 cmh = 8 cm
E = N/C
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 2 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAR4​15 ΩB

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 24 VR1 = 2 ΩR2 = 20 ΩR3 = 6 ΩR4 = 15 Ω
Req = Ω
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 3 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​8 ΩAR4​2 ΩBR6​30 Ω

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 10 VR1 = 3 ΩR2 = 8 ΩR3 = 3 ΩR4 = 2 ΩR5 = 12 ΩR6 = 30 Ω
Req = Ω
5.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​9 Vt = 0R = 5 ΩL47 mHi(t)

L’induttore non porta corrente prima che l’interruttore si chiuda in t = 0. Trova l’energia W(∞) immagazzinata nell’induttore una volta che il circuito si è stabilizzato, in mJ.

Vs = 9 VR = 5 ΩL = 47 mH
W(∞) = mJ
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​12 Vt = 0R = ?C10 µF+−vC​

Un temporizzatore inizia a caricare un condensatore scarico attraverso un resistore da un’alimentazione di 12 V a t = 0. Deve scattare quando la tensione del condensatore raggiunge 9 V, esattamente 1000 ms dopo l’avvio. Con C = 10 µF, trova la resistenza R necessaria.

Vs = 12 VVth = 9 VT = 1000 msC = 10 µF
R = kΩ
7.Campi magnetici e induzioneMedia
+vBF = ?

Un protone si muove verso il basso in un campo magnetico uniforme orientato verso l’esterno della pagina. Clicca il verso della forza magnetica su di esso.

v: verso il bassoB: verso l’esterno della pagina
  1. 1verso l’alto
  2. 2verso destra
  3. 3verso il basso
  4. 4verso sinistra
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
Bn = ?8 cm × 10 cmN = 20B = 0,2 T

Una bobina di 20 spire, 8 cm × 10 cm, ruota in un campo uniforme di 0,2 T attorno a un asse perpendicolare al campo. A quale velocità n (in giri al minuto) deve girare per dare una f.e.m. efficace di 8,53 V?

N = 20A = 8 cm × 10 cmB = 0,2 TErms = 8,53 V
n = rpm
9.Impedenza AC e fasoriMedia
230 V1000 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 230 V (efficaci), 1000 Hz. Trova l’angolo di fase φ dell’impedenza, in gradi (positivo quando la corrente è in ritardo sulla tensione).

V = 230 V (rms)f = 1000 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF
φ = °
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
230 V200 HzR = 25 ΩL = 250 mHC = 4,7 µF

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 230 V (efficaci), 200 Hz. Trova la frequenza di risonanza f0 del circuito.

V = 230 V (rms)f = 200 HzR = 25 ΩL = 250 mHC = 4,7 µF
f0 = Hz

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 9,19 × 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·5 × 10⁻⁶/0,15² = 1,998 × 10⁶ N/C
E2 = k·2 × 10⁻⁶/0,05² = 7,192 × 10⁶ 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 = |1,998 × 10⁶ + 7,192 × 10⁶| = 9,19 × 10⁶ N/C

Risposta

E = 9,19 × 10⁶ N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 3,459 × 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 = √(3² + 8²) = 8,544 cm
E1 = k·4 × 10⁻⁶/0,08544² = 4,926 × 10⁶ N/C

Componenti

Le componenti lungo l’asse si annullano.

E = 2·E1·(a/r) = 2·4,926 × 10⁶·0,3511 = 3,459 × 10⁶ N/C

Risposta

E = 3,459 × 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 = 12,24 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​ = 6 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAR4​15 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 = 6 + 15 = 21 Ω
R2 ∥ 21 = 20·21/(20+21) = 10,24 Ω
Req = R1 + 10,24 = 2 + 10,24 = 12,24 Ω

Risposta

Req = 12,24 Ω
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 6,042 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​ = 3 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​10 VR2​8 ΩAR4​2 ΩBR6​30 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 = 12 + 30 = 42 Ω
R4 ∥ 42 = 1,909 Ω
R3 + 1,909 = 4,909 Ω
R2 ∥ 4,909 = 3,042 Ω
Req = R1 + 3,042 = 3 + 3,042 = 6,042 Ω

Risposta

Req = 6,042 Ω
5.Transitori RC e RL

Risposta: W(∞) = 76,14 mJ

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 / 5 Ω = 9,4 ms
i(∞) = Vs/R = 9/5 = 1,8 A

Energia immagazzinata

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·47·1,8² = 76,14 mJ

Risposta

W(∞) = 76,14 mJ
6.Transitori RC e RL

Risposta: R = 72,13 kΩ

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 richiesta

9 = 12·(1 − e−1000/τ) → τ = 1000/ln(12/(12 − 9))
τ = 1000/1,386 = 721,3 ms

Resistenza

kΩ per µF dà millisecondi.

R = τ/C = 721,3/10 = 72,13 kΩ

Risposta

R = 72,13 kΩ
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: verso sinistra

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).

Regola della mano destra

Punta le dita lungo la corrente o la velocità e piegale verso B; il pollice indica la forza su una carica positiva.

v: verso il basso, B: verso l’esterno della pagina

Verso della forza

verso sinistra

Risposta

F: verso sinistra
8.Campi magnetici e induzione

Risposta: n = 3600 rpm

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 picco

E₀ = √2·Erms = 12,06 V

Velocità angolare

ω = E₀/(NBA) = 12,06/(20·0,2·0,008) = 377 rad/s

Giri al minuto

n = 60·377/(2π) = 3600 rpm

Risposta

n = 3600 rpm
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: φ = 83,89 °

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/(6283·4,7·10⁻⁶) = 33,86 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(30² + (280,3)²) = 281,9 Ω

Angolo di fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(280,3/30) = 83,89°

Risposta

φ = 83,89°
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: f0 = 146,8 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|.

Risonanza

In risonanza le reattanze induttiva e capacitiva si annullano: ωL = 1/(ωC). La frequenza di alimentazione non conta.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,25·4,7·10⁻⁶)) = 146,8 Hz

Risposta

f0 = 146,8 Hz

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