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++6 µCP40 cm

Una carica di +5 µC e una carica di +6 µC si trovano a 40 cm di distanza. Il punto P si trova sulla congiungente, tra le due cariche, a 30 cm dalla prima. Trova il modulo del campo elettrico E in P.

q1 = +5 µCq2 = +6 µCr1 = 30 cmr2 = 10 cm
E = N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
++P2 × 8 cm3 cm+10 µC+10 µC

Cariche di +10 µC e +10 µC distano 16 cm. Il punto P si trova a 3 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 = +10 µCq2 = +10 µCd = 16 cmh = 3 cm
E = N/C
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 2 ΩIR1​R3​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​20 ΩAR4​10 ΩB

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

V1 = 18 VR1 = 2 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 ΩR4 = 10 Ω
IR1 = A
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 30 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​10 VR2​6 ΩAR4​6 ΩBR6​15 Ω

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 10 VR1 = 30 ΩR2 = 6 ΩR3 = 3 ΩR4 = 6 ΩR5 = 25 ΩR6 = 15 Ω
Req = Ω
5.Transitori RC e RLMedia
R = 15 Ωt = 0L47 mHi(t)

L’induttore porta una corrente stazionaria di 1 A. A t = 0 l’interruttore chiude la maglia attraverso R e il generatore viene escluso, quindi la corrente dell’induttore decresce attraverso R. Trova la tensione vR ai capi di R a t = 5 ms.

i(0) = 1 AR = 15 ΩL = 47 mHt = 5 ms
vR = V
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​6 VR1​ = 5 ΩR2​ = 10 Ωsi apre a t = 0L22 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 = 6 VR1 = 5 ΩR2 = 10 ΩL = 22 mHt = 1 ms
i = A
7.Campi magnetici e induzioneMedia
nBA = 150 cm², N = 20B = 0,1 T

Una bobina di 20 spire ha un’area di 150 cm². La bobina si trova in un campo uniforme di 0,1 T perpendicolare al suo piano, e il campo viene spento in 20 ms. Trova la f.e.m. indotta media ε.

N = 20A = 150 cm²B = 0,1 TΔt = 20 ms
ε = V
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
Bn = 600 rpm10 cm × 15 cmN = 50B = 0,2 T

Una bobina di 50 spire, 10 cm × 15 cm, ruota a 600 giri/min in un campo uniforme di 0,2 T attorno a un asse perpendicolare al campo. Trova la f.e.m. di picco E0.

N = 50A = 10 cm × 15 cmB = 0,2 Tn = 600 rpm
E0 = V
9.Impedenza AC e fasoriMedia
12 V50 HzR = 30 ΩL = 150 mHC = 100 µF

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 12 V (efficaci), 50 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 = 50 HzR = 30 ΩL = 150 mHC = 100 µF
φ = °
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
50 V500 HzR1​ = 30 ΩR2​ = 150 ΩC = 4,7 µF

Un resistore R1 è collegato in serie a un parallelo tra R2 e un condensatore C, a un’alimentazione da 50 V (efficaci), 500 Hz. Trova il modulo dell’impedenza |Z|.

V = 50 V (rms)f = 500 HzR1 = 30 ΩR2 = 150 ΩC = 4,7 µF
|Z| = Ω

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 4,895 × 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 × 10⁻⁶/0,3² = 499444 N/C
E2 = k·6 × 10⁻⁶/0,1² = 5,394 × 10⁶ 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 = |499444 − 5,394 × 10⁶| = 4,895 × 10⁶ N/C

Risposta

E = 4,895 × 10⁶ N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 8,648 × 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 = √(8² + 3²) = 8,544 cm
E1 = k·10 × 10⁻⁶/0,08544² = 1,232 × 10⁷ N/C

Componenti

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

E = 2·E1·(h/r) = 2·1,232 × 10⁷·0,3511 = 8,648 × 10⁶ N/C

Risposta

E = 8,648 × 10⁶ N/C

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

3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR1 = 1,822 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​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​20 ΩAR4​10 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 = 3 + 10 = 13 Ω
R2 ∥ 13 = 20·13/(20+13) = 7,879 Ω
Req = R1 + 7,879 = 2 + 7,879 = 9,879 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 = 18/9,879 = 1,822 A

Risposta

IR1 = 1,822 A
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 33,47 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​ = 30 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​10 VR2​6 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 = 25 + 15 = 40 Ω
R4 ∥ 40 = 5,217 Ω
R3 + 5,217 = 8,217 Ω
R2 ∥ 8,217 = 3,468 Ω
Req = R1 + 3,468 = 30 + 3,468 = 33,47 Ω

Risposta

Req = 33,47 Ω
5.Transitori RC e RL

Risposta: vR = 3,041 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.

Costante di tempo

τ = L/R = 47 mH / 15 Ω = 3,133 ms

Decadimento della corrente

i(t) = 1·e−5/3,133 = 0,2028 A
vR = R·i = 15·0,2028 = 3,041 V

Risposta

vR = 3,041 V
6.Transitori RC e RL

Risposta: i = 0,8046 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) = 6/5 = 1,2 A
i(∞) = 6/(5 + 10) = 0,4 A
τ = L/R = 22/15 = 1,467 ms
i(t) = 0,4 + (1,2 − 0,4)·e−t/τ

Corrente all’istante dato

i(1) = 0,4 + (0,8)·e−1/1,467 = 0,8046 A

Risposta

i = 0,8046 A
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: ε = 1,5 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).

Variazione di flusso per spira

ΔΦ = 0,1·0,015 = 0,0015 Wb

F.e.m. media

ε = NΔΦ/Δt = 20·0,0015/0,02 = 1,5 V

Risposta

ε = 1,5 V
8.Campi magnetici e induzione

Risposta: E0 = 9,425 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·600/60 = 62,83 rad/s
A = 0,015 m²

F.e.m. di picco

E₀ = NBAω = 50·0,2·0,015·62,83 = 9,425 V

Risposta

E0 = 9,425 V
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: φ = 27,01 °

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 = 314,2·0,15 = 47,12 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) = √(30² + (15,29)²) = 33,67 Ω

Angolo di fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(15,29/30) = 27,01°

Risposta

φ = 27,01°
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: |Z| = 78,96 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·500·4,7·10⁻⁶) = 67,73 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 = 25,4 − j56,26 Ω

Impedenza totale

Z = 30 + 25,4 − j56,26 = 55,4 − j56,26 Ω
|Z| = √(55,4² + 56,26²) = 78,96 Ω

Risposta

|Z| = 78,96 Ω

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