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
++3 µC−−4 µCP20 cm

Una carica di +3 µC e una carica di −4 µC si trovano a 20 cm di distanza. Il punto P si trova sulla congiungente, tra le due cariche, a 10 cm dalla prima. Trova il modulo del campo elettrico E in P.

q1 = +3 µCq2 = −4 µCr1 = 10 cmr2 = 10 cm
E = N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
++P2 × 5 cm6 cm+1 µC+1 µC

Cariche di +1 µC e +1 µC distano 10 cm. Il punto P si trova a 6 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 = +1 µCq2 = +1 µCd = 10 cmh = 6 cm
E = N/C
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 6 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩIR2​AR4​20 ΩB

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 9 VR1 = 6 ΩR2 = 20 ΩR3 = 12 ΩR4 = 20 Ω
IR2 = A
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 15 ΩR3​ = 30 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩIR2​AR4​2 ΩBR6​12 Ω

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 12 VR1 = 15 ΩR2 = 6 ΩR3 = 30 ΩR4 = 2 ΩR5 = 10 ΩR6 = 12 Ω
IR2 = A
5.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​9 Vt = 0R = 47 ΩL220 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 = 47 ΩL = 220 mH
W(∞) = mJ
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​5 Vt = 0R = 6,8 kΩC220 µF+−vC​vC​(0) = 20 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 20 V con la polarità indicata. Trova la tensione del condensatore vC in t = 750 ms.

Vs = 5 VR = 6,8 kΩC = 220 µFvC(0) = 20 Vt = 750 ms
vC = V
7.Campi magnetici e induzioneMedia
30 A10 Ad = 3 cm

Due fili paralleli lunghi, a 3 cm di distanza, sono percorsi da correnti di 30 A e 10 A in versi opposti. Trova la forza per metro di lunghezza F/L tra di essi.

I1 = 30 AI2 = 10 Ad = 3 cmμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
F/L = µN/m
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
N1​ = 1000, l = 30 cmN2​ = 20M = ?

Una bobina corta di 20 spire è avvolta strettamente attorno al centro di un solenoide lungo di 1000 spire, lunghezza 30 cm e diametro 2 cm. Trova la loro mutua induttanza M.

N1 = 1000N2 = 20l = 30 cm⌀ = 2 cmμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
M = µH
9.Impedenza AC e fasoriMedia
Vf0​ = 500 HzRL = 50 mHC = ?

Un circuito RLC serie con L = 50 mH deve entrare in risonanza a 500 Hz. Trova la capacità C necessaria.

f0 = 500 HzL = 50 mH
C = µF
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
12 V50 HzR = 100 ΩL = 100 mHC = 4,7 µF

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 12 V (efficaci), 50 Hz. Trova la frequenza di risonanza f0 del circuito.

V = 12 V (rms)f = 50 HzR = 100 ΩL = 100 mHC = 4,7 µF
f0 = Hz

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 6,293 × 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·3 × 10⁻⁶/0,1² = 2,697 × 10⁶ N/C
E2 = k·4 × 10⁻⁶/0,1² = 3,596 × 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 = |2,697 × 10⁶ + 3,596 × 10⁶| = 6,293 × 10⁶ N/C

Risposta

E = 6,293 × 10⁶ N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 2,264 × 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 = √(5² + 6²) = 7,81 cm
E1 = k·1 × 10⁻⁶/0,0781² = 1,474 × 10⁶ N/C

Componenti

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

E = 2·E1·(h/r) = 2·1,474 × 10⁶·0,7682 = 2,264 × 10⁶ N/C

Risposta

E = 2,264 × 10⁶ N/C

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

3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 0,3025 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​ = 6 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩAR4​20 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 = 12 + 20 = 32 Ω
R2 ∥ 32 = 20·32/(20+32) = 12,31 Ω
Req = R1 + 12,31 = 6 + 12,31 = 18,31 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 = 9/18,31 = 0,4916 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 = 9 − 0,4916·6 = 6,05 V
IR2 = VA/R2 = 6,05/20 = 0,3025 A

Risposta

IR2 = 0,3025 A
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 0,5036 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​ = 30 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAR4​2 ΩBR6​12 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 + 12 = 22 Ω
R4 ∥ 22 = 1,833 Ω
R3 + 1,833 = 31,83 Ω
R2 ∥ 31,83 = 5,048 Ω
Req = R1 + 5,048 = 15 + 5,048 = 20,05 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 = 12/20,05 = 0,5985 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 = 12 − 0,5985·15 = 3,022 V
IR2 = VA/R2 = 3,022/6 = 0,5036 A

Risposta

IR2 = 0,5036 A
5.Transitori RC e RL

Risposta: W(∞) = 4,033 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 = 220 mH / 47 Ω = 4,681 ms
i(∞) = Vs/R = 9/47 = 0,1915 A

Energia immagazzinata

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·220·0,1915² = 4,033 mJ

Risposta

W(∞) = 4,033 mJ
6.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 14,09 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) = 20 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 220 µF = 1496 ms
vC(t) = 5 + (20 − 5)·e−t/τ

Tensione all’istante dato

vC(750) = 5 + (15)·e−750/1496 = 14,09 V

Risposta

vC = 14,09 V
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: F/L = 2000 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 × 10⁻⁷·30·10/0,03 = 2000 µN/m

Risposta

F/L = 2000 µN/m

Correnti in versi opposti si respingono.

8.Campi magnetici e induzione

Risposta: M = 26,32 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).

Mutua induttanza

M = μ₀N₁N₂A/l = 4π × 10⁻⁷·1000·20·0,0003142/0,3 = 26,32 µH

Risposta

M = 26,32 µH
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: C = 2,026 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·500 = 3142 rad/s
C = 1/(ω₀²·L) = 1/(3142²·0,05) = 2,026 µF

Risposta

C = 2,026 µF
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: f0 = 232,2 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·√(0,1·4,7·10⁻⁶)) = 232,2 Hz

Risposta

f0 = 232,2 Hz

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