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−−5 µCP40 cm

Una carica di +8 µC e una carica di −5 µC si trovano a 40 cm di distanza. Il punto P si trova sulla congiungente, tra le due cariche, a 16 cm dalla prima. Trova il modulo del campo elettrico E in P.

q1 = +8 µCq2 = −5 µCr1 = 16 cmr2 = 24 cm
E = N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
5 cm6 cm+q1​ = +2 µC+q3​ = +4 µC+q2​ = +4 µC

Tre cariche puntiformi positive si trovano ai vertici di un triangolo rettangolo: q₃ = 4 µC è nel vertice dell’angolo retto, q₁ = 2 µC si trova a 5 cm da essa lungo un cateto e q₂ = 4 µC a 6 cm da essa lungo l’altro cateto. Trova il modulo della forza elettrica risultante F su q₃.

q1 = 2 µCq2 = 4 µCq3 = 4 µCr13 = 5 cmr23 = 6 cm
F = N
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 20 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​12 VR2​15 ΩAR4​2 ΩB

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 15 ΩR3 = 2 ΩR4 = 2 Ω
Req = Ω
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 2 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAR4​5 ΩBR6​12 Ω

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 15 VR1 = 2 ΩR2 = 12 ΩR3 = 25 ΩR4 = 5 ΩR5 = 10 ΩR6 = 12 Ω
Req = Ω
5.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​9 Vt = 0R1​ = 3,3 kΩR2​ = 3,3 kΩC22 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 = 9 VR1 = 3,3 kΩR2 = 3,3 kΩC = 22 µFt = 75 ms
vC = V
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​9 Vt = 0R = 2,2 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 30 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 30 V con la polarità indicata. Quanto tempo serve perché vC raggiunga 13,2 V? Trova t.

Vs = 9 VR = 2,2 kΩC = 68 µFvC(0) = 30 V
t = ms
7.Campi magnetici e induzioneMedia
10 A10 Ad = 15 cm

Due fili paralleli lunghi, a 15 cm di distanza, sono percorsi da correnti di 10 A e 10 A nello stesso verso. Trova la forza per metro di lunghezza F/L tra di essi.

I1 = 10 AI2 = 10 Ad = 15 cmμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
F/L = µN/m
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
L = 200 mH0,5 → 2,5 A

La corrente in un induttore da 200 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 = 200 mH0,5 A → 2,5 AΔt = 50 ms
ε = V
9.Impedenza AC e fasoriMedia
12 V500 HzR = 10 ΩC = 47 µFI

Un resistore e un condensatore sono collegati in parallelo a un’alimentazione da 12 V (efficaci), 500 Hz. Trova la corrente efficace I.

V = 12 V (rms)f = 500 HzR = 10 ΩC = 47 µF
I = A
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
12 V500 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF+−VC​

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 12 V (efficaci), 500 Hz. Trova la tensione efficace VC ai capi del condensatore.

V = 12 V (rms)f = 500 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF
VC = V

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 3,59 × 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 × 10⁻⁶/0,16² = 2,809 × 10⁶ N/C
E2 = k·5 × 10⁻⁶/0,24² = 780382 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 = |2,809 × 10⁶ + 780382| = 3,59 × 10⁶ N/C

Risposta

E = 3,59 × 10⁶ N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: F = 49,23 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·2·4 × 10⁻¹²/0,05² = 28,77 N
F2 = k·4·4 × 10⁻¹²/0,06² = 39,96 N

Somma vettoriale

F = √(28,77² + 39,96²) = 49,23 N

Risposta

F = 49,23 N
3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 23,16 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​ = 2 Ω+−V1​12 VR2​15 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 = 2 + 2 = 4 Ω
R2 ∥ 4 = 15·4/(15+4) = 3,158 Ω
Req = R1 + 3,158 = 20 + 3,158 = 23,16 Ω

Risposta

Req = 23,16 Ω
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 10,49 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​ = 2 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​15 VR2​12 ΩAR4​5 ΩBR6​12 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 = 10 + 12 = 22 Ω
R4 ∥ 22 = 4,074 Ω
R3 + 4,074 = 29,07 Ω
R2 ∥ 29,07 = 8,494 Ω
Req = R1 + 8,494 = 2 + 8,494 = 10,49 Ω

Risposta

Req = 10,49 Ω
5.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 3,93 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 = 3,3·3,3/(3,3 + 3,3) = 1,65 kΩ
vC(∞) = 9·3,3/(3,3 + 3,3) = 4,5 V

Costante di tempo

τ = Rth·C = 1,65·22 = 36,3 ms

Curva di carica

vC(t) = 4,5·(1 − e−75/36,3) = 3,93 V

Risposta

vC = 3,93 V
6.Transitori RC e RL

Risposta: t = 240,8 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.

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) = 30 V, vC(∞) = Vs = 9 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 68 µF = 149,6 ms
vC(t) = 9 + (30 − 9)·e−t/τ

Risolvi per il tempo

13,2 = 9 + (21)·e−t/τ → e−t/τ = (13,2 − 9)/(30 − 9) = 0,2
t = τ·ln((30 − 9)/(13,2 − 9)) = 149,6·ln(5) = 240,8 ms

Risposta

t = 240,8 ms
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: F/L = 133,3 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 × 10⁻⁷·10·10/0,15 = 133,3 µN/m

Risposta

F/L = 133,3 µN/m

Correnti nello stesso verso si attraggono.

8.Campi magnetici e induzione

Risposta: ε = 8 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 = 0,2·2/0,05 = 8 V

Risposta

ε = 8 V
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 2,14 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|.

Reattanza

XC = 1/(ωC) = 1/(2π·500·47·10⁻⁶) = 6,773 Ω

Correnti di ramo

Entrambi i rami sono collegati direttamente all’alimentazione, quindi ognuno vede l’intera tensione V.

IR = V/R = 12/10 = 1,2 A
IX = V/XC = 12/6,773 = 1,772 A

Corrente totale

La corrente nel resistore è in fase con V e la corrente reattiva è sfasata di 90°, quindi si sommano come i cateti di un triangolo rettangolo.

I = √(IR² + IX²) = √(1,2² + 1,772²) = 2,14 A

Risposta

I = 2,14 A
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: VC = 7,551 V

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·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,05 = 157,1 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·4,7·10⁻⁶) = 67,73 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (89,35)²) = 107,6 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 12/107,6 = 0,1115 A

Tensione sul condensatore

VC = I·XC = 0,1115·67,73 = 7,551 V

Risposta

VC = 7,551 V

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