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
−−4 µC−−6 µC++6 µC18 cm + 12 cm

Tre cariche puntiformi giacciono su una retta: −4 µC a sinistra, +6 µC a destra a 30 cm di distanza, e −6 µC tra loro, a 18 cm dalla carica di sinistra. Trova il modulo della forza elettrica risultante F sulla carica centrale. Use k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².

qL = −4 µCqR = +6 µCqM = −6 µCrL = 18 cmrR = 12 cm
F = N
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
6 cm3 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 6 cm da essa lungo un cateto e q₂ = 4 µC a 3 cm da essa lungo l’altro cateto. Trova il modulo della forza elettrica risultante F su q₃.

q1 = 2 µCq2 = 4 µCq3 = 4 µCr13 = 6 cmr23 = 3 cm
F = N
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 6 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​8 ΩIR2​AR4​10 ΩB

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 6 VR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 2 ΩR4 = 10 Ω
IR2 = A
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 3 ΩIR1​R3​ = 8 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩAR4​6 ΩBR6​25 Ω

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

V1 = 6 VR1 = 3 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 ΩR4 = 6 ΩR5 = 12 ΩR6 = 25 Ω
IR1 = A
5.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​24 Vt = 0R = 10 ΩL100 mHi(t)

L’induttore non porta corrente prima che l’interruttore si chiuda in t = 0. Trova l’energia W immagazzinata nell’induttore a t = 5 ms, in mJ.

Vs = 24 VR = 10 ΩL = 100 mHt = 5 ms
W = mJ
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​6 Vt = 0R = 10 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 18 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 18 V con la polarità indicata. Quanto tempo serve perché vC raggiunga 14,4 V? Trova t.

Vs = 6 VR = 10 kΩC = 100 µFvC(0) = 18 V
t = ms
7.Campi magnetici e induzioneMedia
IBF = ?

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

I: verso il bassoB: verso l’esterno della pagina
  1. 1verso l’alto
  2. 2verso destra
  3. 3verso il basso
  4. 4verso sinistra
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
Bn = 1500 rpm15 cm × 25 cmN = 100B = 0,1 T

Una bobina di 100 spire, 15 cm × 25 cm, ruota a 1500 giri/min in un campo uniforme di 0,1 T attorno a un asse perpendicolare al campo. Trova il valore efficace Erms della f.e.m.

N = 100A = 15 cm × 25 cmB = 0,1 Tn = 1500 rpm
Erms = V
9.Impedenza AC e fasoriMedia
100 V50 HzR = 30 ΩC = 22 µFI

Un resistore e un condensatore sono collegati in parallelo a un’alimentazione da 100 V (efficaci), 50 Hz. Trova l’angolo di fase φ dell’impedenza, in gradi (positivo quando la corrente è in ritardo sulla tensione).

V = 100 V (rms)f = 50 HzR = 30 ΩC = 22 µF
φ = °
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
120 V200 HzR = 15 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF+−VC​

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 120 V (efficaci), 200 Hz. Trova la tensione efficace VC ai capi del condensatore.

V = 120 V (rms)f = 200 HzR = 15 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF
VC = V

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: F = 29,13 N

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 di ciascuna carica

Il verso verso destra è positivo.

FL = +k·4·6 × 10⁻¹²/0,18² = 6,659 N
FR = +k·6·6 × 10⁻¹²/0,12² = 22,47 N

Forza risultante

F = 6,659 + (22,47) = 29,13 N → |F| = 29,13 N

Risposta

F = 29,13 N

La forza risultante è diretta verso destra.

2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: F = 161,1 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 × 10⁻¹²/0,06² = 19,98 N
F2 = k·4·4 × 10⁻¹²/0,03² = 159,8 N

Somma vettoriale

F = √(19,98² + 159,8²) = 161,1 N

Risposta

F = 161,1 N
3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 0,3333 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​ = 2 Ω+−V1​6 VR2​8 ΩAR4​10 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 + 10 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 8·12/(8+12) = 4,8 Ω
Req = R1 + 4,8 = 6 + 4,8 = 10,8 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 = 6/10,8 = 0,5556 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 = 6 − 0,5556·6 = 2,667 V
IR2 = VA/R2 = 2,667/8 = 0,3333 A

Risposta

IR2 = 0,3333 A
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR1 = 0,8425 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​ = 3 ΩR3​ = 8 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩAR4​6 ΩBR6​25 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 = 12 + 25 = 37 Ω
R4 ∥ 37 = 5,163 Ω
R3 + 5,163 = 13,16 Ω
R2 ∥ 13,16 = 4,121 Ω
Req = R1 + 4,121 = 3 + 4,121 = 7,121 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 = 6/7,121 = 0,8425 A

Risposta

IR1 = 0,8425 A
5.Transitori RC e RL

Risposta: W = 44,59 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 = 100 mH / 10 Ω = 10 ms
i(∞) = Vs/R = 24/10 = 2,4 A

Corrente all’istante dato

i(t) = 2,4·(1 − e−5/10) = 0,9443 A

Energia immagazzinata

W = ½·L·i² = ½·100·0,9443² = 44,59 mJ

Risposta

W = 44,59 mJ
6.Transitori RC e RL

Risposta: t = 356,7 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) = 18 V, vC(∞) = Vs = 6 V
τ = R·C = 10 kΩ · 100 µF = 1000 ms
vC(t) = 6 + (18 − 6)·e−t/τ

Risolvi per il tempo

14,4 = 6 + (12)·e−t/τ → e−t/τ = (14,4 − 6)/(18 − 6) = 0,7
t = τ·ln((18 − 6)/(14,4 − 6)) = 1000·ln(1,429) = 356,7 ms

Risposta

t = 356,7 ms
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: verso sinistra

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 il basso, B: verso l’esterno della pagina

Verso della forza

verso sinistra

Risposta

F: verso sinistra
8.Campi magnetici e induzione

Risposta: Erms = 41,65 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·1500/60 = 157,1 rad/s
A = 0,0375 m²

F.e.m. di picco

E₀ = NBAω = 100·0,1·0,0375·157,1 = 58,9 V

Valore efficace

Erms = 58,9/√2 = 41,65 V

Risposta

Erms = 41,65 V
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: φ = −11,71 °

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·50·22·10⁻⁶) = 144,7 Ω

Correnti di ramo

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

IR = V/R = 100/30 = 3,333 A
IX = V/XC = 100/144,7 = 0,6912 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) = √(3,333² + 0,6912²) = 3,404 A

Angolo di fase

La corrente nel condensatore è in anticipo su V, quindi la corrente totale è in anticipo e l’angolo è negativo.

φ = −arctan(IX/IR) = −arctan(0,6912/3,333) = −11,71°

Risposta

φ = −11,71°
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: VC = 188,9 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·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,05 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·4,7·10⁻⁶) = 169,3 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(15² + (−106,5)²) = 107,5 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 120/107,5 = 1,116 A

Tensione sul condensatore

VC = I·XC = 1,116·169,3 = 188,9 V

Risposta

VC = 188,9 V

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