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−−4 µCP30 cm

Una carica di +1 µC e una carica di −4 µC si trovano a 30 cm di distanza. Il punto P si trova sulla congiungente, tra le due cariche, a 7,5 cm dalla prima. Trova il modulo del campo elettrico E in P.

q1 = +1 µCq2 = −4 µCr1 = 7,5 cmr2 = 22,5 cm
E = N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
10 cm5 cm+q1​ = +4 µC+q3​ = +5 µC+q2​ = +1 µC

Tre cariche puntiformi positive si trovano ai vertici di un triangolo rettangolo: q₃ = 5 µC è nel vertice dell’angolo retto, q₁ = 4 µC si trova a 10 cm da essa lungo un cateto e q₂ = 1 µC a 5 cm da essa lungo l’altro cateto. Trova il modulo della forza elettrica risultante F su q₃.

q1 = 4 µCq2 = 1 µCq3 = 5 µCr13 = 10 cmr23 = 5 cm
F = N
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 12 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩAR4​4 ΩB

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 9 VR1 = 12 ΩR2 = 10 ΩR3 = 20 ΩR4 = 4 Ω
Req = Ω
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 15 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​24 VR2​2 ΩAR4​5 ΩBR6​5 Ω

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 2 ΩR3 = 10 ΩR4 = 5 ΩR5 = 10 ΩR6 = 5 Ω
Req = Ω
5.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​10 Vt = 0R = 22 ΩL10 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 = 10 VR = 22 ΩL = 10 mHt = 1 ms
i = A
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​15 VR1​ = 33 ΩR2​ = 47 Ωsi apre a t = 0L100 mHi(t)

L’interruttore in parallelo a R2 è chiuso da molto tempo, quindi la corrente dell’induttore è stazionaria. A t = 0 l’interruttore si apre. Trova la corrente dell’induttore i a t = 1 ms.

Vs = 15 VR1 = 33 ΩR2 = 47 ΩL = 100 mHt = 1 ms
i = A
7.Campi magnetici e induzioneMedia
nBA = 20 cm², N = 200B = 0,1 T

Una bobina di 200 spire ha un’area di 20 cm². La bobina si trova in un campo uniforme di 0,1 T perpendicolare al suo piano, e il campo viene spento in 200 ms. Trova la f.e.m. indotta media ε.

N = 200A = 20 cm²B = 0,1 TΔt = 200 ms
ε = mV
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
E = 1 × 10⁴ V/m, B1​ = 0,5 TB2​ = 0,2 Tr = ?

Un deutone attraversa senza deviare un selettore di velocità con campi incrociati E = 1 × 10⁴ V/m e B₁ = 0,5 T. Entra poi in una seconda regione con solo un campo magnetico B₂ = 0,2 T, ad angolo retto. Trova il raggio r della sua traiettoria lì.

E = 1 × 10⁴ V/mB1 = 0,5 TB2 = 0,2 Tm = 3,344 × 10⁻²⁷ kg|q| = 1,602 × 10⁻¹⁹ C
r = cm
9.Impedenza AC e fasoriMedia
12 V100 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 10 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 12 V (efficaci), 100 Hz. Trova la corrente efficace I.

V = 12 V (rms)f = 100 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 10 µF
I = A
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
10 V50 HzR = 20 ΩL = 50 mHC = 100 µF+−VC​

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 10 V (efficaci), 50 Hz. Trova la tensione efficace VC ai capi del condensatore.

V = 10 V (rms)f = 50 HzR = 20 ΩL = 50 mHC = 100 µF
VC = V

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 2,309 × 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·1 × 10⁻⁶/0,075² = 1,598 × 10⁶ N/C
E2 = k·4 × 10⁻⁶/0,225² = 710321 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 = |1,598 × 10⁶ + 710321| = 2,309 × 10⁶ N/C

Risposta

E = 2,309 × 10⁶ N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: F = 25,43 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·4·5 × 10⁻¹²/0,1² = 17,98 N
F2 = k·1·5 × 10⁻¹²/0,05² = 17,98 N

Somma vettoriale

F = √(17,98² + 17,98²) = 25,43 N

Risposta

F = 25,43 N
3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 19,06 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​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​10 ΩAR4​4 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 = 20 + 4 = 24 Ω
R2 ∥ 24 = 10·24/(10+24) = 7,059 Ω
Req = R1 + 7,059 = 12 + 7,059 = 19,06 Ω

Risposta

Req = 19,06 Ω
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 16,75 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​ = 15 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​24 VR2​2 ΩAR4​5 ΩBR6​5 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 + 5 = 15 Ω
R4 ∥ 15 = 3,75 Ω
R3 + 3,75 = 13,75 Ω
R2 ∥ 13,75 = 1,746 Ω
Req = R1 + 1,746 = 15 + 1,746 = 16,75 Ω

Risposta

Req = 16,75 Ω
5.Transitori RC e RL

Risposta: i = 0,4042 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 = 10 mH / 22 Ω = 0,4545 ms
i(∞) = Vs/R = 10/22 = 0,4545 A

Corrente all’istante dato

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,4545·(1 − e−1/0,4545) = 0,4042 A

Risposta

i = 0,4042 A
6.Transitori RC e RL

Risposta: i = 0,3075 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.

Valore iniziale, valore finale, costante di tempo

Prima di t = 0 l’interruttore chiuso esclude R₂; dopo, R₁ e R₂ sono entrambi nella maglia.

i(0) = 15/33 = 0,4545 A
i(∞) = 15/(33 + 47) = 0,1875 A
τ = L/R = 100/80 = 1,25 ms
i(t) = 0,1875 + (0,4545 − 0,1875)·e−t/τ

Corrente all’istante dato

i(1) = 0,1875 + (0,267)·e−1/1,25 = 0,3075 A

Risposta

i = 0,3075 A
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: ε = 200 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 = 0,1·0,002 = 0,0002 Wb

F.e.m. media

ε = NΔΦ/Δt = 200·0,0002/0,2 = 0,2 V

Risposta

ε = 200 mV
8.Campi magnetici e induzione

Risposta: r = 0,2087 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 selezionata

Senza deviazione: la forza elettrica qE bilancia la forza magnetica qvB.

v = E/B1 = 1 × 10⁴/0,5 = 20000 m/s

Raggio nel secondo campo

r = mv/(|q|B2) = 0,002087 m = 0,2087 cm

Risposta

r = 0,2087 cm
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 0,08503 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|.

Reattanze

ω = 2πf = 2π·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,05 = 31,42 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·10·10⁻⁶) = 159,2 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (−127,7)²) = 141,1 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 12/141,1 = 0,08503 A

Risposta

I = 0,08503 A
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: VC = 12,39 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·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,05 = 15,71 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·100·10⁻⁶) = 31,83 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(20² + (−16,12)²) = 25,69 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 10/25,69 = 0,3893 A

Tensione sul condensatore

VC = I·XC = 0,3893·31,83 = 12,39 V

Risposta

VC = 12,39 V

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