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++8 µC−−3 µC24 cm + 16 cm

Tre cariche puntiformi giacciono su una retta: +3 µC a sinistra, −3 µC a destra a 40 cm di distanza, e +8 µC tra loro, a 24 cm dalla carica di sinistra. Trova il modulo della forza elettrica risultante F sulla carica centrale. Use k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².

qL = +3 µCqR = −3 µCqM = +8 µCrL = 24 cmrR = 16 cm
F = N
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
5 cm10 cm+q1​ = +6 µC+q3​ = +1 µC+q2​ = +5 µC

Tre cariche puntiformi positive si trovano ai vertici di un triangolo rettangolo: q₃ = 1 µC è nel vertice dell’angolo retto, q₁ = 6 µC si trova a 5 cm da essa lungo un cateto e q₂ = 5 µC a 10 cm da essa lungo l’altro cateto. Trova il modulo della forza elettrica risultante F su q₃.

q1 = 6 µCq2 = 5 µCq3 = 1 µCr13 = 5 cmr23 = 10 cm
F = N
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 5 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​5 ΩAR4​6 ΩB

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 12 VR1 = 5 ΩR2 = 5 ΩR3 = 12 ΩR4 = 6 Ω
Req = Ω
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 30 ΩIR1​R3​ = 20 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​12 VR2​12 ΩAR4​10 ΩBR6​3 Ω

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

V1 = 12 VR1 = 30 ΩR2 = 12 ΩR3 = 20 ΩR4 = 10 ΩR5 = 25 ΩR6 = 3 Ω
IR1 = A
5.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​9 Vt = 0R1​ = 2,2 kΩR2​ = 6,8 kΩC10 µF+−vC​

Il generatore Vₛ carica il condensatore attraverso R₁, e R₂ è collegato in parallelo a C. Il condensatore è scarico quando l’interruttore si chiude in t = 0. Trova la costante di tempo τ del circuito dopo la chiusura dell’interruttore.

Vs = 9 VR1 = 2,2 kΩR2 = 6,8 kΩC = 10 µF
τ = ms
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​9 Vt = 0R = 22 kΩC?+−vC​

Un temporizzatore inizia a caricare un condensatore scarico attraverso un resistore da un’alimentazione di 9 V a t = 0. Deve scattare quando la tensione del condensatore raggiunge 4,5 V, esattamente 200 ms dopo l’avvio. Con R = 22 kΩ, trova la capacità C necessaria.

Vs = 9 VVth = 4,5 VT = 200 msR = 22 kΩ
C = µF
7.Campi magnetici e induzioneMedia
+v = 2,5 × 10⁶ m/sB = 0,1 T

Una particella alfa descrive una circonferenza in un campo magnetico uniforme di 0,1 T. Trova il tempo T che impiega per un giro.

m = 6,645 × 10⁻²⁷ kg|q| = 3,204 × 10⁻¹⁹ CB = 0,1 T
T = ns
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
Bn = 3600 rpm8 cm × 25 cmN = 200B = 0,25 T

Una bobina di 200 spire, 8 cm × 25 cm, ruota a 3600 giri/min in un campo uniforme di 0,25 T attorno a un asse perpendicolare al campo. Trova la f.e.m. di picco E0.

N = 200A = 8 cm × 25 cmB = 0,25 Tn = 3600 rpm
E0 = V
9.Impedenza AC e fasoriMedia
12 V100 HzR = 100 ΩL = 200 mHI

Un resistore e un induttore sono collegati in parallelo a un’alimentazione da 12 V (efficaci), 100 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 = 100 HzR = 100 ΩL = 200 mH
φ = °
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
24 V200 HzR = 40 ΩL = 50 mHC = 2,2 µF

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 24 V (efficaci), 200 Hz. Trova la frequenza di risonanza f0 del circuito.

V = 24 V (rms)f = 200 HzR = 40 ΩL = 50 mHC = 2,2 µF
f0 = Hz

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: F = 12,17 N

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.

Forza di ciascuna carica

Il verso verso destra è positivo.

FL = +k·3·8 × 10⁻¹²/0,24² = 3,746 N
FR = +k·3·8 × 10⁻¹²/0,16² = 8,428 N

Forza risultante

F = 3,746 + (8,428) = 12,17 N → |F| = 12,17 N

Risposta

F = 12,17 N

La forza risultante è diretta verso destra.

2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: F = 22,04 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·6·1 × 10⁻¹²/0,05² = 21,58 N
F2 = k·5·1 × 10⁻¹²/0,1² = 4,495 N

Somma vettoriale

F = √(21,58² + 4,495²) = 22,04 N

Risposta

F = 22,04 N
3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 8,913 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​ = 5 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​12 VR2​5 ΩAR4​6 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 + 6 = 18 Ω
R2 ∥ 18 = 5·18/(5+18) = 3,913 Ω
Req = R1 + 3,913 = 5 + 3,913 = 8,913 Ω

Risposta

Req = 8,913 Ω
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR1 = 0,313 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​ = 30 ΩR3​ = 20 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​12 VR2​12 ΩAR4​10 ΩBR6​3 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 + 3 = 28 Ω
R4 ∥ 28 = 7,368 Ω
R3 + 7,368 = 27,37 Ω
R2 ∥ 27,37 = 8,342 Ω
Req = R1 + 8,342 = 30 + 8,342 = 38,34 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 = 12/38,34 = 0,313 A

Risposta

IR1 = 0,313 A
5.Transitori RC e RL

Risposta: τ = 16,62 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.

Equivalente di Thévenin visto dal condensatore

Cortocircuita il generatore per trovare Rth; apri il condensatore per trovare la tensione a cui si stabilizzerà.

Rth = R1 ∥ R2 = 2,2·6,8/(2,2 + 6,8) = 1,662 kΩ
vC(∞) = 9·6,8/(2,2 + 6,8) = 6,8 V

Costante di tempo

τ = Rth·C = 1,662·10 = 16,62 ms

Risposta

τ = 16,62 ms
6.Transitori RC e RL

Risposta: C = 13,12 µF

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 richiesta

4,5 = 9·(1 − e−200/τ) → τ = 200/ln(9/(9 − 4,5))
τ = 200/0,6931 = 288,5 ms

Capacità

kΩ per µF dà millisecondi.

C = τ/R = 288,5/22 = 13,12 µF

Risposta

C = 13,12 µF
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: T = 1303 ns

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).

Periodo del moto circolare

Una particella più veloce descrive una circonferenza più grande, quindi il tempo per giro resta lo stesso.

T = 2πm/(|q|B) = 2π·6,645 × 10⁻²⁷/(3,204 × 10⁻¹⁹·0,1) = 1303 ns

Risposta

T = 1303 ns

La velocità non serve: per questo un ciclotrone può usare un’unica frequenza fissa.

8.Campi magnetici e induzione

Risposta: E0 = 377 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·3600/60 = 377 rad/s
A = 0,02 m²

F.e.m. di picco

E₀ = NBAω = 200·0,25·0,02·377 = 377 V

Risposta

E0 = 377 V
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: φ = 38,51 °

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·100·0,2 = 125,7 Ω

Correnti di ramo

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

IR = V/R = 12/100 = 0,12 A
IX = V/XL = 12/125,7 = 0,09549 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) = √(0,12² + 0,09549²) = 0,1534 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(0,09549/0,12) = 38,51°

Risposta

φ = 38,51°
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: f0 = 479,9 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·√(0,05·2,2·10⁻⁶)) = 479,9 Hz

Risposta

f0 = 479,9 Hz

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