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
++8 µC−−1 µCP20 cm

Una carica di +8 µC e una carica di −1 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 = +8 µCq2 = −1 µCr1 = 10 cmr2 = 10 cm
E = N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
8 cm10 cm+q1​ = +2 µC+q3​ = +3 µC+q2​ = +3 µC

Tre cariche puntiformi positive si trovano ai vertici di un triangolo rettangolo: q₃ = 3 µC è nel vertice dell’angolo retto, q₁ = 2 µC si trova a 8 cm da essa lungo un cateto e q₂ = 3 µC a 10 cm da essa lungo l’altro cateto. Trova il modulo della forza elettrica risultante F su q₃.

q1 = 2 µCq2 = 3 µCq3 = 3 µCr13 = 8 cmr23 = 10 cm
F = N
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 6 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​2 ΩIR2​AR4​2 ΩB

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 10 VR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 ΩR4 = 2 Ω
IR2 = A
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 30 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩIR2​AR4​15 ΩBR6​30 Ω

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 10 VR1 = 30 ΩR2 = 12 ΩR3 = 12 ΩR4 = 15 ΩR5 = 8 ΩR6 = 30 Ω
IR2 = A
5.Transitori RC e RLMedia
R = 50 Ωt = 0L150 mHi(t)

L’induttore porta una corrente stazionaria di 0,5 A. A t = 0 l’interruttore chiude la maglia attraverso R e il generatore viene escluso, quindi la corrente dell’induttore decresce attraverso R. Quanto tempo serve perché la corrente scenda a 0,05 A? Trova t.

i(0) = 0,5 AR = 50 ΩL = 150 mH
t = ms
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​10 Vsi apre a t = 0R1​ = 4,7 kΩR2​ = 6,8 kΩC100 µF+−vC​

L’interruttore è chiuso da molto tempo, quindi il circuito è a regime. A t = 0 l’interruttore si apre. Trova la tensione del condensatore vC in t = 1000 ms.

Vs = 10 VR1 = 4,7 kΩR2 = 6,8 kΩC = 100 µFt = 1000 ms
vC = V
7.Campi magnetici e induzioneMedia
−v = 2 × 10⁶ m/sr = 0,4549 cmB = ?

Un elettrone che si muove a 2 × 10⁶ m/s entra in un campo magnetico uniforme ad angolo retto e descrive una circonferenza di raggio 0,4549 cm. Trova la densità di flusso magnetico B.

m = 9,109 × 10⁻³¹ kg|q| = 1,602 × 10⁻¹⁹ Cv = 2 × 10⁶ m/sr = 0,4549 cm
B = mT
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
l = 50 cmN = 200, ⌀ 3 cm

Un solenoide lungo con nucleo d’aria ha 200 spire, una lunghezza di 50 cm e un diametro di 3 cm. Trova la sua autoinduttanza L.

N = 200l = 50 cm⌀ = 3 cmμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
L = µH
9.Impedenza AC e fasoriMedia
50 V60 HzR = 50 ΩL = 100 mHC = 22 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 50 V (efficaci), 60 Hz. Trova il fattore di potenza cos φ del circuito.

V = 50 V (rms)f = 60 HzR = 50 ΩL = 100 mHC = 22 µF
cos φ =
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
230 V50 HzR = 30 ΩL = 250 mHC = 100 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 230 V (efficaci), 50 Hz. Trova la corrente efficace I.

V = 230 V (rms)f = 50 HzR = 30 ΩL = 250 mHC = 100 µF
I = A

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 8,091 × 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·8 × 10⁻⁶/0,1² = 7,192 × 10⁶ N/C
E2 = k·1 × 10⁻⁶/0,1² = 899000 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 = |7,192 × 10⁶ + 899000| = 8,091 × 10⁶ N/C

Risposta

E = 8,091 × 10⁶ N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: F = 11,68 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·2·3 × 10⁻¹²/0,08² = 8,428 N
F2 = k·3·3 × 10⁻¹²/0,1² = 8,091 N

Somma vettoriale

F = √(8,428² + 8,091²) = 11,68 N

Risposta

F = 11,68 N
3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 1,087 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​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​2 ΩAR4​2 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 = 8 + 2 = 10 Ω
R2 ∥ 10 = 2·10/(2+10) = 1,667 Ω
Req = R1 + 1,667 = 6 + 1,667 = 7,667 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 = 10/7,667 = 1,304 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 = 10 − 1,304·6 = 2,174 V
IR2 = VA/R2 = 2,174/2 = 1,087 A

Risposta

IR2 = 1,087 A
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 0,1729 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​ = 12 ΩR5​ = 8 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAR4​15 ΩBR6​30 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 + 30 = 38 Ω
R4 ∥ 38 = 10,75 Ω
R3 + 10,75 = 22,75 Ω
R2 ∥ 22,75 = 7,857 Ω
Req = R1 + 7,857 = 30 + 7,857 = 37,86 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 = 10/37,86 = 0,2642 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 = 10 − 0,2642·30 = 2,075 V
IR2 = VA/R2 = 2,075/12 = 0,1729 A

Risposta

IR2 = 0,1729 A
5.Transitori RC e RL

Risposta: t = 6,908 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

τ = L/R = 150 mH / 50 Ω = 3 ms

Risolvi per il tempo

0,05 = 0,5·e−t/τ → t = τ·ln(0,5/0,05)
t = 3·ln(10) = 6,908 ms

Risposta

t = 6,908 ms
6.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 1,359 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.

Tensione iniziale del condensatore

A regime il condensatore è un circuito aperto, quindi R₁ e R₂ formano un partitore di tensione. La tensione del condensatore non può variare bruscamente quando l’interruttore si apre.

vC(0) = 10·6,8/(4,7 + 6,8) = 5,913 V

Costante di tempo dopo l’apertura dell’interruttore

τ = R2·C = 6,8·100 = 680 ms

Scarica

vC(t) = 5,913·e−1000/680 = 1,359 V

Risposta

vC = 1,359 V
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: B = 2,5 mT

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).

Campo dal raggio

B = mv/(|q|r) = 9,109 × 10⁻³¹·2 × 10⁶/(1,602 × 10⁻¹⁹·0,004549) = 2,5 mT

Risposta

B = 2,5 mT
8.Campi magnetici e induzione

Risposta: L = 71,06 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).

Sezione trasversale

A = π·(0,015)² = 0,0007069 m²

Autoinduttanza

L = μ₀N²A/l = 4π × 10⁻⁷·200²·0,0007069/0,5 = 7,106 × 10⁻⁵ H = 71,06 µH

Risposta

L = 71,06 µH
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: cos φ = 0,5166

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 = 37,7 Ω, XC = 120,6 Ω

Impedenza

|Z| = √(50² + (−82,87)²) = 96,79 Ω

Fattore di potenza

cos φ = R/|Z| = 50/96,79 = 0,5166
Il circuito è capacitivo, quindi il fattore di potenza è capacitivo (in anticipo).

Risposta

cos φ = 0,5166
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 4,143 A

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 = 314,2·0,25 = 78,54 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 + (46,71)²) = 55,51 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 230/55,51 = 4,143 A

Risposta

I = 4,143 A

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