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−−4 µCP20 cm

Una carica di +5 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 12 cm dalla prima. Trova il modulo del campo elettrico E in P.

q1 = +5 µCq2 = −4 µCr1 = 12 cmr2 = 8 cm
E = N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
+ + + + + +− − − − − −e⁻5 × 10⁷ m/s5 cmE = 3700 N/C

Un elettrone entra nel campo uniforme tra due armature parallele muovendosi parallelamente a esse a 5 × 10⁷ m/s. Le armature sono lunghe 5 cm e il campo tra di esse è 3700 N/C. Carica dell’elettrone 1,602 × 10⁻¹⁹ C, massa 9,109 × 10⁻³¹ kg; trascura la gravità. Di quanto y viene deviato lateralmente quando esce dalle armature? Dai la risposta in mm.

v₀ = 5 × 10⁷ m/sL = 5 cmE = 3700 N/Ce = 1,602 × 10⁻¹⁹ Cme = 9,109 × 10⁻³¹ kg
y = mm
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 3 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​2 ΩAR4​6 ΩB

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 30 VR1 = 3 ΩR2 = 2 ΩR3 = 20 ΩR4 = 6 Ω
Req = Ω
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 25 ΩIR1​R3​ = 8 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAR4​12 ΩBR6​8 Ω

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

V1 = 30 VR1 = 25 ΩR2 = 8 ΩR3 = 8 ΩR4 = 12 ΩR5 = 25 ΩR6 = 8 Ω
IR1 = A
5.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​20 Vt = 0R = 15 ΩL68 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 95% del suo valore finale? Trova t.

Vs = 20 VR = 15 ΩL = 68 mH
t = ms
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​24 Vt = 0R = 6,8 kΩC220 µF+−vC​vC​(0) = 2 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 2 V con la polarità indicata. Trova la tensione del condensatore vC in t = 500 ms.

Vs = 24 VR = 6,8 kΩC = 220 µFvC(0) = 2 Vt = 500 ms
vC = V
7.Campi magnetici e induzioneMedia
R = 8 Ωv = 4 m/sL = 30 cmB = 0,25 T

Un’asta metallica lunga 30 cm scorre a 4 m/s lungo due rotaie in un campo uniforme di 0,25 T entrante nella pagina. Le rotaie sono collegate da un resistore da 8 Ω; l’asta e le rotaie hanno resistenza trascurabile. Trova la forza F necessaria per mantenere l’asta in movimento a velocità costante (senza attrito).

B = 0,25 TL = 30 cmv = 4 m/sR = 8 Ω
F = mN
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
V = 1000 VB = 0,25 Tr = ?

Una particella alfa parte da fermo, viene accelerato attraverso una differenza di potenziale di 1000 V e poi entra ad angolo retto in un campo magnetico uniforme di 0,25 T. Trova il raggio r della sua traiettoria nel campo.

m = 6,645 × 10⁻²⁷ kg|q| = 3,204 × 10⁻¹⁹ CV = 1000 VB = 0,25 T
r = cm
9.Impedenza AC e fasoriMedia
12 V500 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 10 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 12 V (efficaci), 500 Hz. Trova il fattore di potenza cos φ del circuito.

V = 12 V (rms)f = 500 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 10 µF
cos φ =
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
24 V100 HzR = 100 ΩL = 250 mHC = 1 µF

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 24 V (efficaci), 100 Hz. Trova la frequenza di risonanza f0 del circuito.

V = 24 V (rms)f = 100 HzR = 100 ΩL = 250 mHC = 1 µF
f0 = Hz

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 8,74 × 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 × 10⁻⁶/0,12² = 3,122 × 10⁶ N/C
E2 = k·4 × 10⁻⁶/0,08² = 5,619 × 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 = |3,122 × 10⁶ + 5,619 × 10⁶| = 8,74 × 10⁶ N/C

Risposta

E = 8,74 × 10⁶ N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: y = 0,3254 mm

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.

Tempo tra le armature

t = L/v₀ = 0,05/5 × 10⁷ = 1 × 10⁻⁹ s

Accelerazione laterale

a = e·E/m = 1,602 × 10⁻¹⁹·3700/9,109 × 10⁻³¹ = 6,507 × 10¹⁴ m/s²

Freccia

y = ½·a·t² = ½·6,507 × 10¹⁴·(1 × 10⁻⁹)² = 0,0003254 m = 0,3254 mm

Risposta

y = 0,3254 mm

L’elettrone viene spinto verso l’armatura positiva, in verso opposto al campo.

3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 4,857 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​ = 3 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​30 VR2​2 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 = 20 + 6 = 26 Ω
R2 ∥ 26 = 2·26/(2+26) = 1,857 Ω
Req = R1 + 1,857 = 3 + 1,857 = 4,857 Ω

Risposta

Req = 4,857 Ω
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR1 = 0,9862 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​ = 25 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​30 VR2​8 ΩAR4​12 ΩBR6​8 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 + 8 = 33 Ω
R4 ∥ 33 = 8,8 Ω
R3 + 8,8 = 16,8 Ω
R2 ∥ 16,8 = 5,419 Ω
Req = R1 + 5,419 = 25 + 5,419 = 30,42 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 = 30/30,42 = 0,9862 A

Risposta

IR1 = 0,9862 A
5.Transitori RC e RL

Risposta: t = 13,58 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 = 68 mH / 15 Ω = 4,533 ms
i(∞) = Vs/R = 20/15 = 1,333 A

Risolvi per il tempo

0,95 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,95)
t = −4,533·ln(0,05) = 13,58 ms

Risposta

t = 13,58 ms
6.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 8,25 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) = 2 V, vC(∞) = Vs = 24 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 220 µF = 1496 ms
vC(t) = 24 + (2 − 24)·e−t/τ

Tensione all’istante dato

vC(500) = 24 + (−22)·e−500/1496 = 8,25 V

Risposta

vC = 8,25 V
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: F = 2,813 mN

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).

F.e.m. di movimento

ε = BLv = 0,25·0,3·4 = 0,3 V

Corrente

I = ε/R = 0,3/8 = 0,0375 A

Forza frenante

Legge di Lenz: la forza sulla corrente indotta si oppone al moto.

F = BIL = 0,25·0,0375·0,3 = 0,002812 N

Risposta

F = 2,813 mN
8.Campi magnetici e induzione

Risposta: r = 2,576 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).

Velocità dopo l’accelerazione

v = √(2|q|V/m) = √(2·3,204 × 10⁻¹⁹·1000/(6,645 × 10⁻²⁷)) = 310537 m/s

Raggio nel campo

r = mv/(|q|B) = 0,02576 m = 2,576 cm

Risposta

r = 2,576 cm

In combinazione: r = √(2mV/|q|)/B, quindi gli ioni più pesanti con la stessa carica descrivono circonferenze più grandi; così si separano gli isotopi.

9.Impedenza AC e fasori

Risposta: cos φ = 0,7904

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

XL = 62,83 Ω, XC = 31,83 Ω

Impedenza

|Z| = √(40² + (31)²) = 50,61 Ω

Fattore di potenza

cos φ = R/|Z| = 40/50,61 = 0,7904
Il circuito è induttivo, quindi il fattore di potenza è induttivo (in ritardo).

Risposta

cos φ = 0,7904
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: f0 = 318,3 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·√(0,25·1·10⁻⁶)) = 318,3 Hz

Risposta

f0 = 318,3 Hz

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