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.

Nuovi eserciziTorna al corso

Nella finestra di stampa scegli “Salva come PDF” per conservarne una copia sul tuo dispositivo.

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
++2 µC−−2 µCP60 cm

Una carica di +2 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 24 cm dalla prima. Trova il modulo del campo elettrico E in P.

q1 = +2 µCq2 = −2 µCr1 = 24 cmr2 = 36 cm
E = N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
L = 100 cm10°qq

Due palline identiche, ciascuna di massa 10 g, sono appese allo stesso punto con fili isolanti lunghi 100 cm. Ricevono cariche uguali e ogni filo si assesta a 10° dalla verticale. Usa g = 9,81 m/s². Trova la carica q su ciascuna pallina in nC. Use k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².

m = 10 gL = 100 cmθ = 10°g = 9,81 m/s²
q = nC
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 8 ΩIR1​R3​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​8 ΩB

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

V1 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 20 ΩR3 = 3 ΩR4 = 8 Ω
IR1 = A
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 12 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩIR2​AR4​8 ΩBR6​3 Ω

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 30 VR1 = 12 ΩR2 = 6 ΩR3 = 12 ΩR4 = 8 ΩR5 = 5 ΩR6 = 3 Ω
IR2 = A
5.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​5 Vt = 0R = 33 ΩL220 mHi(t)

L’induttore non porta corrente prima che l’interruttore si chiuda in t = 0. Trova l’energia W(∞) immagazzinata nell’induttore una volta che il circuito si è stabilizzato, in mJ.

Vs = 5 VR = 33 ΩL = 220 mH
W(∞) = mJ
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​12 Vt = 0R = 100 kΩC?+−vC​

Un temporizzatore inizia a caricare un condensatore scarico attraverso un resistore da un’alimentazione di 12 V a t = 0. Deve scattare quando la tensione del condensatore raggiunge 9 V, esattamente 25 ms dopo l’avvio. Con R = 100 kΩ, trova la capacità C necessaria.

Vs = 12 VVth = 9 VT = 25 msR = 100 kΩ
C = µF
7.Campi magnetici e induzioneMedia
nBA = 40 cm², N = 20B = 0,3 T

Una bobina di 20 spire ha un’area di 40 cm². La bobina viene capovolta (ruotata di 180°) in 40 ms in un campo uniforme di 0,3 T, perpendicolare al suo piano. Trova la f.e.m. indotta media ε.

N = 20A = 40 cm²B = 0,3 TΔt = 40 ms
ε = V
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
E = 4 × 10⁴ V/m, B1​ = 0,1 TB2​ = 0,4 Tr = ?

Un protone attraversa senza deviare un selettore di velocità con campi incrociati E = 4 × 10⁴ V/m e B₁ = 0,1 T. Entra poi in una seconda regione con solo un campo magnetico B₂ = 0,4 T, ad angolo retto. Trova il raggio r della sua traiettoria lì.

E = 4 × 10⁴ V/mB1 = 0,1 TB2 = 0,4 Tm = 1,673 × 10⁻²⁷ kg|q| = 1,602 × 10⁻¹⁹ C
r = cm
9.Impedenza AC e fasoriMedia
Vf0​ = 1000 HzRL = ?C = 4,7 µF

Un circuito RLC serie con C = 4,7 µF deve entrare in risonanza a 1000 Hz. Trova l’induttanza L necessaria.

f0 = 1000 HzC = 4,7 µF
L = mH
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
120 V200 HzR = 10 ΩL = 200 mHC = 10 µF

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 120 V (efficaci), 200 Hz. Trova la frequenza di risonanza f0 del circuito.

V = 120 V (rms)f = 200 HzR = 10 ΩL = 200 mHC = 10 µF
f0 = Hz

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 450887 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·2 × 10⁻⁶/0,24² = 312153 N/C
E2 = k·2 × 10⁻⁶/0,36² = 138735 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 = |312153 + 138735| = 450887 N/C

Risposta

E = 450887 N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: q = 481,7 nC

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 elettrica dall’equilibrio

La parte orizzontale della tensione equilibra F, la parte verticale equilibra m·g.

F = m·g·tan θ = 0,01·9,81·tan 10° = 0,0173 N

Distanza

r = 2·L·sin θ = 2·1·sin 10° = 0,3473 m

Carica

F = k·q²/r² → q = r·√(F/k) = 0,3473·√(0,0173/8,99 × 10⁹) = 4,817 × 10⁻⁷ C = 481,7 nC

Risposta

q = 481,7 nC
3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR1 = 1,987 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​ = 8 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​30 VR2​20 ΩAR4​8 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 + 8 = 11 Ω
R2 ∥ 11 = 20·11/(20+11) = 7,097 Ω
Req = R1 + 7,097 = 8 + 7,097 = 15,1 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 = 30/15,1 = 1,987 A

Risposta

IR1 = 1,987 A
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 1,333 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​ = 12 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​30 VR2​6 ΩAR4​8 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 = 5 + 3 = 8 Ω
R4 ∥ 8 = 4 Ω
R3 + 4 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 4,364 Ω
Req = R1 + 4,364 = 12 + 4,364 = 16,36 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 = 30/16,36 = 1,833 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 = 30 − 1,833·12 = 8 V
IR2 = VA/R2 = 8/6 = 1,333 A

Risposta

IR2 = 1,333 A
5.Transitori RC e RL

Risposta: W(∞) = 2,525 mJ

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 = 220 mH / 33 Ω = 6,667 ms
i(∞) = Vs/R = 5/33 = 0,1515 A

Energia immagazzinata

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·220·0,1515² = 2,525 mJ

Risposta

W(∞) = 2,525 mJ
6.Transitori RC e RL

Risposta: C = 0,1803 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

9 = 12·(1 − e−25/τ) → τ = 25/ln(12/(12 − 9))
τ = 25/1,386 = 18,03 ms

Capacità

kΩ per µF dà millisecondi.

C = τ/R = 18,03/100 = 0,1803 µF

Risposta

C = 0,1803 µF
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: ε = 1,2 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).

Variazione di flusso per spira

ΔΦ = 2·0,3·0,004 = 0,0024 Wb

F.e.m. media

ε = NΔΦ/Δt = 20·0,0024/0,04 = 1,2 V

Risposta

ε = 1,2 V
8.Campi magnetici e induzione

Risposta: r = 1,044 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 selezionata

Senza deviazione: la forza elettrica qE bilancia la forza magnetica qvB.

v = E/B1 = 4 × 10⁴/0,1 = 400000 m/s

Raggio nel secondo campo

r = mv/(|q|B2) = 0,01044 m = 1,044 cm

Risposta

r = 1,044 cm
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: L = 5,389 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·1000 = 6283 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(6283²·4,7·10⁻⁶) = 5,389 mH

Risposta

L = 5,389 mH
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: f0 = 112,5 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·√(0,2·10·10⁻⁶)) = 112,5 Hz

Risposta

f0 = 112,5 Hz

ExamProblems · examproblems.com/courses/physics-2-electricity-and-magnetism