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−−10 µCP10 cm

Una carica di +2 µC e una carica di −10 µC si trovano a 10 cm di distanza. Il punto P si trova sulla congiungente, tra le due cariche, a 4 cm dalla prima. Trova il modulo del campo elettrico E in P.

q1 = +2 µCq2 = −10 µCr1 = 4 cmr2 = 6 cm
E = N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
4 cm8 cm+q1​ = +2 µC+q3​ = +1 µC+q2​ = +1 µC

Tre cariche puntiformi positive si trovano ai vertici di un triangolo rettangolo: q₃ = 1 µC è nel vertice dell’angolo retto, q₁ = 2 µC si trova a 4 cm da essa lungo un cateto e q₂ = 1 µC a 8 cm da essa lungo l’altro cateto. Trova il modulo della forza elettrica risultante F su q₃.

q1 = 2 µCq2 = 1 µCq3 = 1 µCr13 = 4 cmr23 = 8 cm
F = N
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 4 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAR4​8 ΩB

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 30 VR1 = 4 ΩR2 = 10 ΩR3 = 10 ΩR4 = 8 Ω
Req = Ω
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 2 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​36 VR2​6 ΩAR4​3 ΩBR6​5 Ω

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 36 VR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 4 ΩR4 = 3 ΩR5 = 6 ΩR6 = 5 Ω
Req = Ω
5.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​6 Vt = 0R = 10 ΩL68 mHi(t)

L’induttore non porta corrente prima che l’interruttore si chiuda in t = 0. Trova la corrente i in t = 15 ms.

Vs = 6 VR = 10 ΩL = 68 mHt = 15 ms
i = A
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​15 Vsi apre a t = 0R1​ = 6,8 kΩR2​ = 6,8 kΩC100 µF+−vC​

L’interruttore è chiuso da molto tempo, quindi il circuito è a regime. A t = 0 l’interruttore si apre. Trova la tensione del condensatore vC in t = 500 ms.

Vs = 15 VR1 = 6,8 kΩR2 = 6,8 kΩC = 100 µFt = 500 ms
vC = V
7.Campi magnetici e induzioneMedia
30 A10 Ad = 15 cm

Due fili paralleli lunghi, a 15 cm di distanza, sono percorsi da correnti di 30 A e 10 A nello stesso verso. Trova la forza per metro di lunghezza F/L tra di essi.

I1 = 30 AI2 = 10 Ad = 15 cmμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
F/L = µN/m
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
l = 25 cmN = 1000, ⌀ 1 cm

Un solenoide lungo con nucleo d’aria ha 1000 spire, una lunghezza di 25 cm e un diametro di 1 cm. Trova la sua autoinduttanza L.

N = 1000l = 25 cm⌀ = 1 cmμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
L = µH
9.Impedenza AC e fasoriMedia
Vf0​ = 2000 HzRL = 5 mHC = ?

Un circuito RLC serie con L = 5 mH deve entrare in risonanza a 2000 Hz. Trova la capacità C necessaria.

f0 = 2000 HzL = 5 mH
C = µF
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
10 V60 HzR = 100 ΩL = 100 mHC = 10 µF

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 10 V (efficaci), 60 Hz. Trova la frequenza di risonanza f0 del circuito.

V = 10 V (rms)f = 60 HzR = 100 ΩL = 100 mHC = 10 µF
f0 = Hz

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 3,621 × 10⁷ 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 × 10⁻⁶/0,04² = 1,124 × 10⁷ N/C
E2 = k·10 × 10⁻⁶/0,06² = 2,497 × 10⁷ 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 = |1,124 × 10⁷ + 2,497 × 10⁷| = 3,621 × 10⁷ N/C

Risposta

E = 3,621 × 10⁷ N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: F = 11,32 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·2·1 × 10⁻¹²/0,04² = 11,24 N
F2 = k·1·1 × 10⁻¹²/0,08² = 1,405 N

Somma vettoriale

F = √(11,24² + 1,405²) = 11,32 N

Risposta

F = 11,32 N
3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 10,43 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​ = 4 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 = 4 + 6,429 = 10,43 Ω

Risposta

Req = 10,43 Ω
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 5,087 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​ = 4 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​36 VR2​6 ΩAR4​3 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 = 6 + 5 = 11 Ω
R4 ∥ 11 = 2,357 Ω
R3 + 2,357 = 6,357 Ω
R2 ∥ 6,357 = 3,087 Ω
Req = R1 + 3,087 = 2 + 3,087 = 5,087 Ω

Risposta

Req = 5,087 Ω
5.Transitori RC e RL

Risposta: i = 0,5339 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 = 68 mH / 10 Ω = 6,8 ms
i(∞) = Vs/R = 6/10 = 0,6 A

Corrente all’istante dato

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,6·(1 − e−15/6,8) = 0,5339 A

Risposta

i = 0,5339 A
6.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 3,595 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.

Tensione iniziale del condensatore

A regime il condensatore è un circuito aperto, quindi R₁ e R₂ formano un partitore di tensione. La tensione del condensatore non può variare bruscamente quando l’interruttore si apre.

vC(0) = 15·6,8/(6,8 + 6,8) = 7,5 V

Costante di tempo dopo l’apertura dell’interruttore

τ = R2·C = 6,8·100 = 680 ms

Scarica

vC(t) = 7,5·e−500/680 = 3,595 V

Risposta

vC = 3,595 V
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: F/L = 400 µN/m

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).

Forza per metro

F/L = μ₀I₁I₂/(2πd) = 2 × 10⁻⁷·30·10/0,15 = 400 µN/m

Risposta

F/L = 400 µN/m

Correnti nello stesso verso si attraggono.

8.Campi magnetici e induzione

Risposta: L = 394,8 µH

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).

Sezione trasversale

A = π·(0,005)² = 7,854 × 10⁻⁵ m²

Autoinduttanza

L = μ₀N²A/l = 4π × 10⁻⁷·1000²·7,854 × 10⁻⁵/0,25 = 0,0003948 H = 394,8 µH

Risposta

L = 394,8 µH
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: C = 1,267 µF

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|.

Condizione di risonanza

In risonanza le reattanze induttiva e capacitiva si annullano: ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·2000 = 12566 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(12566²·0,005) = 1,267 µF

Risposta

C = 1,267 µF
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: f0 = 159,2 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·√(0,1·10·10⁻⁶)) = 159,2 Hz

Risposta

f0 = 159,2 Hz

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