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
++6 µC−−3 µCP10 cm

Una carica di +6 µC e una carica di −3 µC si trovano a 10 cm di distanza. Il punto P si trova sulla congiungente, tra le due cariche, a 6 cm dalla prima. Trova il modulo del campo elettrico E in P.

q1 = +6 µCq2 = −3 µCr1 = 6 cmr2 = 4 cm
E = N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
5 cm10 cm+q1​ = +6 µC+q3​ = +10 µC+q2​ = +8 µC

Tre cariche puntiformi positive si trovano ai vertici di un triangolo rettangolo: q₃ = 10 µC è nel vertice dell’angolo retto, q₁ = 6 µC si trova a 5 cm da essa lungo un cateto e q₂ = 8 µC a 10 cm da essa lungo l’altro cateto. Trova il modulo della forza elettrica risultante F su q₃.

q1 = 6 µCq2 = 8 µCq3 = 10 µCr13 = 5 cmr23 = 10 cm
F = N
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 8 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAR4​8 ΩB

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 4 ΩR3 = 20 ΩR4 = 8 Ω
Req = Ω
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 10 ΩIR1​R3​ = 6 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​5 VR2​25 ΩAR4​30 ΩBR6​10 Ω

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

V1 = 5 VR1 = 10 ΩR2 = 25 ΩR3 = 6 ΩR4 = 30 ΩR5 = 8 ΩR6 = 10 Ω
IR1 = A
5.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​10 Vt = 0R = 33 ΩL33 mHi(t)

L’induttore non porta corrente prima che l’interruttore si chiuda in t = 0. Quanto tempo dopo la chiusura dell’interruttore la corrente raggiunge il 80% del suo valore finale? Trova t.

Vs = 10 VR = 33 ΩL = 33 mH
t = ms
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​6 Vt = 0R = 4,7 kΩC10 µF+−vC​vC​(0) = 3 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 3 V con la polarità indicata. Quanto tempo serve perché vC raggiunga 5,1 V? Trova t.

Vs = 6 VR = 4,7 kΩC = 10 µFvC(0) = 3 V
t = ms
7.Campi magnetici e induzioneMedia
+v = 8 × 10⁶ m/sr = ?B = 0,5 T

Un protone si muove a 8 × 10⁶ m/s perpendicolarmente a un campo magnetico uniforme di 0,5 T. Trova il raggio r della sua traiettoria circolare.

m = 1,673 × 10⁻²⁷ kg|q| = 1,602 × 10⁻¹⁹ Cv = 8 × 10⁶ m/sB = 0,5 T
r = cm
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
I = 0,5 Al = 25 cmN = 800, ⌀ 1,5 cm

Un solenoide lungo con nucleo d’aria ha 800 spire, una lunghezza di 25 cm e un diametro di 1,5 cm. Trova l’energia W immagazzinata nel suo campo magnetico quando è percorso da 0,5 A.

N = 800l = 25 cm⌀ = 1,5 cmI = 0,5 Aμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
W = µJ
9.Impedenza AC e fasoriMedia
120 V200 HzR = 80 ΩL = 100 mHI

Un resistore e un induttore sono collegati in parallelo a un’alimentazione da 120 V (efficaci), 200 Hz. Trova l’angolo di fase φ dell’impedenza, in gradi (positivo quando la corrente è in ritardo sulla tensione).

V = 120 V (rms)f = 200 HzR = 80 ΩL = 100 mH
φ = °
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
24 V60 HzR = 20 ΩL = 20 mHC = 100 µF

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 24 V (efficaci), 60 Hz. Trova la frequenza di risonanza f0 del circuito.

V = 24 V (rms)f = 60 HzR = 20 ΩL = 20 mHC = 100 µF
f0 = Hz

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 3,184 × 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·6 × 10⁻⁶/0,06² = 1,498 × 10⁷ N/C
E2 = k·3 × 10⁻⁶/0,04² = 1,686 × 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 = |1,498 × 10⁷ + 1,686 × 10⁷| = 3,184 × 10⁷ N/C

Risposta

E = 3,184 × 10⁷ N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: F = 227,4 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·6·10 × 10⁻¹²/0,05² = 215,8 N
F2 = k·8·10 × 10⁻¹²/0,1² = 71,92 N

Somma vettoriale

F = √(215,8² + 71,92²) = 227,4 N

Risposta

F = 227,4 N
3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 11,5 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​ = 8 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​4 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 = 20 + 8 = 28 Ω
R2 ∥ 28 = 4·28/(4+28) = 3,5 Ω
Req = R1 + 3,5 = 8 + 3,5 = 11,5 Ω

Risposta

Req = 11,5 Ω
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR1 = 0,2474 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​ = 10 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​5 VR2​25 ΩAR4​30 ΩBR6​10 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 = 8 + 10 = 18 Ω
R4 ∥ 18 = 11,25 Ω
R3 + 11,25 = 17,25 Ω
R2 ∥ 17,25 = 10,21 Ω
Req = R1 + 10,21 = 10 + 10,21 = 20,21 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 = 5/20,21 = 0,2474 A

Risposta

IR1 = 0,2474 A
5.Transitori RC e RL

Risposta: t = 1,609 ms

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 = 33 mH / 33 Ω = 1 ms
i(∞) = Vs/R = 10/33 = 0,303 A

Risolvi per il tempo

0,8 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,8)
t = −1·ln(0,2) = 1,609 ms

Risposta

t = 1,609 ms
6.Transitori RC e RL

Risposta: t = 56,59 ms

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) = 3 V, vC(∞) = Vs = 6 V
τ = R·C = 4,7 kΩ · 10 µF = 47 ms
vC(t) = 6 + (3 − 6)·e−t/τ

Risolvi per il tempo

5,1 = 6 + (−3)·e−t/τ → e−t/τ = (5,1 − 6)/(3 − 6) = 0,3
t = τ·ln((3 − 6)/(5,1 − 6)) = 47·ln(3,333) = 56,59 ms

Risposta

t = 56,59 ms
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: r = 16,71 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).

Equilibrio delle forze

La forza magnetica è sempre perpendicolare alla velocità, quindi incurva la traiettoria in una circonferenza.

|q|vB = mv²/r → r = mv/(|q|B)

Raggio

r = 1,673 × 10⁻²⁷·8 × 10⁶/(1,602 × 10⁻¹⁹·0,5) = 0,1671 m = 16,71 cm

Risposta

r = 16,71 cm
8.Campi magnetici e induzione

Risposta: W = 71,06 µJ

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).

Autoinduttanza

L = μ₀N²A/l = 568,5 µH

Energia immagazzinata

W = ½LI² = ½·0,0005685·0,5² = 7,106 × 10⁻⁵ J = 71,06 µJ

Risposta

W = 71,06 µJ
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: φ = 32,48 °

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

XL = ωL = 2π·200·0,1 = 125,7 Ω

Correnti di ramo

Entrambi i rami sono collegati direttamente all’alimentazione, quindi ognuno vede l’intera tensione V.

IR = V/R = 120/80 = 1,5 A
IX = V/XL = 120/125,7 = 0,9549 A

Corrente totale

La corrente nel resistore è in fase con V e la corrente reattiva è sfasata di 90°, quindi si sommano come i cateti di un triangolo rettangolo.

I = √(IR² + IX²) = √(1,5² + 0,9549²) = 1,778 A

Angolo di fase

La corrente nell’induttore è in ritardo su V, quindi la corrente totale è in ritardo e l’angolo è positivo.

φ = arctan(IX/IR) = arctan(0,9549/1,5) = 32,48°

Risposta

φ = 32,48°
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: f0 = 112,5 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·√(0,02·100·10⁻⁶)) = 112,5 Hz

Risposta

f0 = 112,5 Hz

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