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−−2 µCP60 cm

Una carica di +5 µC e una carica di −2 µC si trovano a 60 cm di distanza. Il punto P si trova sulla congiungente, tra le due cariche, a 30 cm dalla prima. Trova il modulo del campo elettrico E in P.

q1 = +5 µCq2 = −2 µCr1 = 30 cmr2 = 30 cm
E = N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
3 cm4 cm+q1​ = +1 µC+q3​ = +5 µC+q2​ = +4 µC

Tre cariche puntiformi positive si trovano ai vertici di un triangolo rettangolo: q₃ = 5 µC è nel vertice dell’angolo retto, q₁ = 1 µC si trova a 3 cm da essa lungo un cateto e q₂ = 4 µC a 4 cm da essa lungo l’altro cateto. Trova il modulo della forza elettrica risultante F su q₃.

q1 = 1 µCq2 = 4 µCq3 = 5 µCr13 = 3 cmr23 = 4 cm
F = N
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 6 ΩIR1​R3​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAR4​12 ΩB

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

V1 = 10 VR1 = 6 ΩR2 = 4 ΩR3 = 3 ΩR4 = 12 Ω
IR1 = A
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 6 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​12 VR2​4 ΩIR2​AR4​3 ΩBR6​6 Ω

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 12 VR1 = 6 ΩR2 = 4 ΩR3 = 4 ΩR4 = 3 ΩR5 = 30 ΩR6 = 6 Ω
IR2 = A
5.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​30 Vt = 0R1​ = 1 kΩR2​ = 6,8 kΩC47 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 tensione del condensatore vC in t = 75 ms.

Vs = 30 VR1 = 1 kΩR2 = 6,8 kΩC = 47 µFt = 75 ms
vC = V
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​12 Vt = 0R = 10 kΩC33 µF+−vC​vC​(0) = 24 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 24 V con la polarità indicata. Trova la tensione del condensatore vC in t = 120 ms.

Vs = 12 VR = 10 kΩC = 33 µFvC(0) = 24 Vt = 120 ms
vC = V
7.Campi magnetici e induzioneMedia
2 A10 Ad = 12 cm

Due fili paralleli lunghi, a 12 cm di distanza, sono percorsi da correnti di 2 A e 10 A nello stesso verso. Trova la forza per metro di lunghezza F/L tra di essi.

I1 = 2 AI2 = 10 Ad = 12 cmμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
F/L = µN/m
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
Bn = 1200 rpm15 cm × 25 cmN = 20B = 0,2 T

Una bobina di 20 spire, 15 cm × 25 cm, ruota a 1200 giri/min in un campo uniforme di 0,2 T attorno a un asse perpendicolare al campo. Trova il valore efficace Erms della f.e.m.

N = 20A = 15 cm × 25 cmB = 0,2 Tn = 1200 rpm
Erms = V
9.Impedenza AC e fasoriMedia
50 V50 HzR = 100 ΩL = 150 mHC = 47 µFI

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

V = 50 V (rms)f = 50 HzR = 100 ΩL = 150 mHC = 47 µF
I = A
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
10 V100 HzR = 50 ΩL = 150 mHC = 47 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 10 V (efficaci), 100 Hz. Trova la corrente efficace I.

V = 10 V (rms)f = 100 HzR = 50 ΩL = 150 mHC = 47 µF
I = A

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 699222 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 × 10⁻⁶/0,3² = 499444 N/C
E2 = k·2 × 10⁻⁶/0,3² = 199778 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 = |499444 + 199778| = 699222 N/C

Risposta

E = 699222 N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: F = 123 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·1·5 × 10⁻¹²/0,03² = 49,94 N
F2 = k·4·5 × 10⁻¹²/0,04² = 112,4 N

Somma vettoriale

F = √(49,94² + 112,4²) = 123 N

Risposta

F = 123 N
3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR1 = 1,092 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​ = 3 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAR4​12 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 + 12 = 15 Ω
R2 ∥ 15 = 4·15/(4+15) = 3,158 Ω
Req = R1 + 3,158 = 6 + 3,158 = 9,158 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 = 10/9,158 = 1,092 A

Risposta

IR1 = 1,092 A
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 0,8859 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​ = 4 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​12 VR2​4 ΩAR4​3 ΩBR6​6 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 = 30 + 6 = 36 Ω
R4 ∥ 36 = 2,769 Ω
R3 + 2,769 = 6,769 Ω
R2 ∥ 6,769 = 2,514 Ω
Req = R1 + 2,514 = 6 + 2,514 = 8,514 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 = 12/8,514 = 1,409 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 = 12 − 1,409·6 = 3,544 V
IR2 = VA/R2 = 3,544/4 = 0,8859 A

Risposta

IR2 = 0,8859 A
5.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 21,96 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.

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 = 1·6,8/(1 + 6,8) = 0,8718 kΩ
vC(∞) = 30·6,8/(1 + 6,8) = 26,15 V

Costante di tempo

τ = Rth·C = 0,8718·47 = 40,97 ms

Curva di carica

vC(t) = 26,15·(1 − e−75/40,97) = 21,96 V

Risposta

vC = 21,96 V
6.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 20,34 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) = 24 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 10 kΩ · 33 µF = 330 ms
vC(t) = 12 + (24 − 12)·e−t/τ

Tensione all’istante dato

vC(120) = 12 + (12)·e−120/330 = 20,34 V

Risposta

vC = 20,34 V
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: F/L = 33,33 µN/m

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).

Forza per metro

F/L = μ₀I₁I₂/(2πd) = 2 × 10⁻⁷·2·10/0,12 = 33,33 µN/m

Risposta

F/L = 33,33 µN/m

Correnti nello stesso verso si attraggono.

8.Campi magnetici e induzione

Risposta: Erms = 13,33 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·1200/60 = 125,7 rad/s
A = 0,0375 m²

F.e.m. di picco

E₀ = NBAω = 20·0,2·0,0375·125,7 = 18,85 V

Valore efficace

Erms = 18,85/√2 = 13,33 V

Risposta

Erms = 13,33 V
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 0,4897 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 = 314,2·0,15 = 47,12 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·47·10⁻⁶) = 67,73 Ω

Impedenza

In serie le impedenze si sommano come numeri complessi: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(100² + (−20,6)²) = 102,1 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 50/102,1 = 0,4897 A

Risposta

I = 0,4897 A
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 0,1276 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·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,15 = 94,25 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·47·10⁻⁶) = 33,86 Ω

Impedenza

In serie le impedenze si sommano come numeri complessi: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(50² + (60,39)²) = 78,4 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 10/78,4 = 0,1276 A

Risposta

I = 0,1276 A

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