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
++1 µC++10 µCE = 060 cm

Cariche di +1 µC e +10 µC distano 60 cm. A quale distanza x dalla carica di +1 µC, sul segmento che le unisce, il campo elettrico è nullo?

q1 = +1 µCq2 = +10 µCd = 60 cm
x = cm
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
10 cm10 cm+q1​ = +10 µC+q3​ = +5 µC+q2​ = +8 µC

Tre cariche puntiformi positive si trovano ai vertici di un triangolo rettangolo: q₃ = 5 µC è nel vertice dell’angolo retto, q₁ = 10 µC si trova a 10 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 = 10 µCq2 = 8 µCq3 = 5 µCr13 = 10 cmr23 = 10 cm
F = N
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 2 ΩIR1​R3​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩAR4​5 ΩB

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

V1 = 6 VR1 = 2 ΩR2 = 10 ΩR3 = 3 ΩR4 = 5 Ω
IR1 = A
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 20 ΩR3​ = 20 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​6 ΩAR4​2 ΩBR6​30 Ω

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 24 VR1 = 20 ΩR2 = 6 ΩR3 = 20 ΩR4 = 2 ΩR5 = 4 ΩR6 = 30 Ω
Req = Ω
5.Transitori RC e RLMedia
R = 50 Ωt = 0L33 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. Trova la corrente i in t = 1 ms.

i(0) = 0,5 AR = 50 ΩL = 33 mHt = 1 ms
i = A
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​20 VR1​ = 22 ΩR2​ = 22 Ωsi apre a t = 0L22 mHi(t)

L’interruttore in parallelo a R2 è chiuso da molto tempo, quindi la corrente dell’induttore è stazionaria. A t = 0 l’interruttore si apre. Trova la corrente dell’induttore i a t = 1 ms.

Vs = 20 VR1 = 22 ΩR2 = 22 ΩL = 22 mHt = 1 ms
i = A
7.Campi magnetici e induzioneMedia
IBF = ?

Un filo è percorso da una corrente verso destra in un campo magnetico uniforme orientato verso l’interno della pagina. Clicca il verso della forza magnetica sul filo.

I: verso destraB: verso l’interno della pagina
  1. 1verso l’alto
  2. 2verso destra
  3. 3verso il basso
  4. 4verso sinistra
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
L = 25 mH0,5 → 2,5 A

La corrente in un induttore da 25 mH varia in modo costante da 0,5 A a 2,5 A in 50 ms. Trova il modulo della f.e.m. autoindotta ε.

L = 25 mH0,5 A → 2,5 AΔt = 50 ms
ε = V
9.Impedenza AC e fasoriMedia
Vf0​ = 200 HzRL = ?C = 2,2 µF

Un circuito RLC serie con C = 2,2 µF deve entrare in risonanza a 200 Hz. Trova l’induttanza L necessaria.

f0 = 200 HzC = 2,2 µF
L = mH
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
VfR = 20 ΩL = 50 mHC = 0,22 µF

Un circuito RLC serie ha R = 20 Ω, L = 50 mH e C = 0,22 µF. Trova la sua larghezza di banda B (l’ampiezza della banda tra le frequenze a metà potenza), in Hz.

R = 20 ΩL = 50 mHC = 0,22 µF
B = Hz

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: x = 14,42 cm

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.

Campi uguali

1/x² = 10/(60 − x)²
(60 − x)/x = √(10/1) = 3,162

Posizione

x = 60/(1 + 3,162) = 14,42 cm

Risposta

x = 14,42 cm

Il punto di campo nullo è sempre più vicino alla carica minore.

2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: F = 57,56 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·10·5 × 10⁻¹²/0,1² = 44,95 N
F2 = k·8·5 × 10⁻¹²/0,1² = 35,96 N

Somma vettoriale

F = √(44,95² + 35,96²) = 57,56 N

Risposta

F = 57,56 N
3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR1 = 0,931 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​ = 2 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​6 VR2​10 ΩAR4​5 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 = 3 + 5 = 8 Ω
R2 ∥ 8 = 10·8/(10+8) = 4,444 Ω
Req = R1 + 4,444 = 2 + 4,444 = 6,444 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 = 6/6,444 = 0,931 A

Risposta

IR1 = 0,931 A
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 24,71 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​ = 20 ΩR3​ = 20 ΩR5​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​6 ΩAR4​2 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 = 4 + 30 = 34 Ω
R4 ∥ 34 = 1,889 Ω
R3 + 1,889 = 21,89 Ω
R2 ∥ 21,89 = 4,709 Ω
Req = R1 + 4,709 = 20 + 4,709 = 24,71 Ω

Risposta

Req = 24,71 Ω
5.Transitori RC e RL

Risposta: i = 0,1099 A

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 = 33 mH / 50 Ω = 0,66 ms

Decadimento della corrente

i(t) = 0,5·e−1/0,66 = 0,1099 A

Risposta

i = 0,1099 A
6.Transitori RC e RL

Risposta: i = 0,5161 A

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

Prima di t = 0 l’interruttore chiuso esclude R₂; dopo, R₁ e R₂ sono entrambi nella maglia.

i(0) = 20/22 = 0,9091 A
i(∞) = 20/(22 + 22) = 0,4545 A
τ = L/R = 22/44 = 0,5 ms
i(t) = 0,4545 + (0,9091 − 0,4545)·e−t/τ

Corrente all’istante dato

i(1) = 0,4545 + (0,4545)·e−1/0,5 = 0,5161 A

Risposta

i = 0,5161 A
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: verso l’alto

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).

Regola della mano destra

Punta le dita lungo la corrente o la velocità e piegale verso B; il pollice indica la forza su una carica positiva.

I: verso destra, B: verso l’interno della pagina

Verso della forza

verso l’alto

Risposta

F: verso l’alto
8.Campi magnetici e induzione

Risposta: ε = 1 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).

F.e.m. autoindotta

La f.e.m. si oppone alla variazione di corrente (Lenz), quindi il suo segno è opposto a ΔI; il valore è L·|ΔI|/Δt.

ε = L·ΔI/Δt = 0,025·2/0,05 = 1 V

Risposta

ε = 1 V
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: L = 287,8 mH

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·200 = 1257 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(1257²·2,2·10⁻⁶) = 287,8 mH

Risposta

L = 287,8 mH
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: B = 63,66 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|.

Frequenza di risonanza

f0 = 1/(2π·√(0,05·0,22·10⁻⁶)) = 1517 Hz

Fattore di qualità

Q confronta la reattanza in risonanza con la resistenza: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/20)·√(0,05/(0,22·10⁻⁶)) = 23,84

Larghezza di banda

B = f0/Q = 1517/23,84 = 63,66 Hz

Risposta

B = 63,66 Hz

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