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++6 µCP10 cm

Una carica di +1 µC e una carica di +6 µC si trovano a 10 cm di distanza. Il punto P si trova sulla congiungente, tra le due cariche, a 7,5 cm dalla prima. Trova il modulo del campo elettrico E in P.

q1 = +1 µCq2 = +6 µCr1 = 7,5 cmr2 = 2,5 cm
E = N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
3 cm3 cm+q1​ = +8 µC+q3​ = +3 µC+q2​ = +10 µC

Tre cariche puntiformi positive si trovano ai vertici di un triangolo rettangolo: q₃ = 3 µC è nel vertice dell’angolo retto, q₁ = 8 µC si trova a 3 cm da essa lungo un cateto e q₂ = 10 µC a 3 cm da essa lungo l’altro cateto. Trova il modulo della forza elettrica risultante F su q₃.

q1 = 8 µCq2 = 10 µCq3 = 3 µCr13 = 3 cmr23 = 3 cm
F = N
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 10 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAR4​6 ΩB

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 10 VR1 = 10 ΩR2 = 4 ΩR3 = 10 ΩR4 = 6 Ω
Req = Ω
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 6 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​25 ΩIR2​AR4​6 ΩBR6​4 Ω

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 15 VR1 = 6 ΩR2 = 25 ΩR3 = 10 ΩR4 = 6 ΩR5 = 12 ΩR6 = 4 Ω
IR2 = A
5.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​5 Vt = 0R = 20 ΩL100 mHi(t)

L’induttore non porta corrente prima che l’interruttore si chiuda in t = 0. Quanto tempo dopo la chiusura dell’interruttore la corrente raggiunge il 95% del suo valore finale? Trova t.

Vs = 5 VR = 20 ΩL = 100 mH
t = ms
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​15 Vt = 0R = ?C1 µF+−vC​

Un temporizzatore inizia a caricare un condensatore scarico attraverso un resistore da un’alimentazione di 15 V a t = 0. Deve scattare quando la tensione del condensatore raggiunge 13,5 V, esattamente 250 ms dopo l’avvio. Con C = 1 µF, trova la resistenza R necessaria.

Vs = 15 VVth = 13,5 VT = 250 msC = 1 µF
R = kΩ
7.Campi magnetici e induzioneMedia
+v = 3 × 10⁵ m/sr = ?B = 0,2 T

Una particella alfa si muove a 3 × 10⁵ m/s perpendicolarmente a un campo magnetico uniforme di 0,2 T. Trova il raggio r della sua traiettoria circolare.

m = 6,645 × 10⁻²⁷ kg|q| = 3,204 × 10⁻¹⁹ Cv = 3 × 10⁵ m/sB = 0,2 T
r = cm
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
Bn = 3000 rpm15 cm × 25 cmN = 250B = 0,2 T

Una bobina di 250 spire, 15 cm × 25 cm, ruota a 3000 giri/min in un campo uniforme di 0,2 T attorno a un asse perpendicolare al campo. Trova la f.e.m. di picco E0.

N = 250A = 15 cm × 25 cmB = 0,2 Tn = 3000 rpm
E0 = V
9.Impedenza AC e fasoriMedia
50 V500 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 1 µF

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 50 V (efficaci), 500 Hz. Trova l’angolo di fase φ dell’impedenza, in gradi (positivo quando la corrente è in ritardo sulla tensione).

V = 50 V (rms)f = 500 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 1 µF
φ = °
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
100 V100 HzR1​ = 15 ΩR2​ = 150 ΩC = 4,7 µF

Un resistore R1 è collegato in serie a un parallelo tra R2 e un condensatore C, a un’alimentazione da 100 V (efficaci), 100 Hz. Trova il modulo dell’impedenza |Z|.

V = 100 V (rms)f = 100 HzR1 = 15 ΩR2 = 150 ΩC = 4,7 µF
|Z| = Ω

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 8,471 × 10⁷ 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·1 × 10⁻⁶/0,075² = 1,598 × 10⁶ N/C
E2 = k·6 × 10⁻⁶/0,025² = 8,63 × 10⁷ N/C

Versi e somma

Entrambe le cariche sono positive: in P ciascun campo è diretto lontano dalla propria carica, quindi i due hanno versi opposti.

E = |1,598 × 10⁶ − 8,63 × 10⁷| = 8,471 × 10⁷ N/C

Risposta

E = 8,471 × 10⁷ N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: F = 383,8 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·8·3 × 10⁻¹²/0,03² = 239,7 N
F2 = k·10·3 × 10⁻¹²/0,03² = 299,7 N

Somma vettoriale

F = √(239,7² + 299,7²) = 383,8 N

Risposta

F = 383,8 N
3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 13,2 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​ = 10 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​10 VR2​4 ΩAR4​6 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 = 10 + 6 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 4·16/(4+16) = 3,2 Ω
Req = R1 + 3,2 = 10 + 3,2 = 13,2 Ω

Risposta

Req = 13,2 Ω
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 0,3619 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​ = 10 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​15 VR2​25 ΩAR4​6 ΩBR6​4 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 + 4 = 16 Ω
R4 ∥ 16 = 4,364 Ω
R3 + 4,364 = 14,36 Ω
R2 ∥ 14,36 = 9,122 Ω
Req = R1 + 9,122 = 6 + 9,122 = 15,12 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 = 15/15,12 = 0,9919 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 = 15 − 0,9919·6 = 9,049 V
IR2 = VA/R2 = 9,049/25 = 0,3619 A

Risposta

IR2 = 0,3619 A
5.Transitori RC e RL

Risposta: t = 14,98 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.

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 / 20 Ω = 5 ms
i(∞) = Vs/R = 5/20 = 0,25 A

Risolvi per il tempo

0,95 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,95)
t = −5·ln(0,05) = 14,98 ms

Risposta

t = 14,98 ms
6.Transitori RC e RL

Risposta: R = 108,6 kΩ

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

13,5 = 15·(1 − e−250/τ) → τ = 250/ln(15/(15 − 13,5))
τ = 250/2,303 = 108,6 ms

Resistenza

kΩ per µF dà millisecondi.

R = τ/C = 108,6/1 = 108,6 kΩ

Risposta

R = 108,6 kΩ
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: r = 3,111 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).

Equilibrio delle forze

La forza magnetica è sempre perpendicolare alla velocità, quindi incurva la traiettoria in una circonferenza.

|q|vB = mv²/r → r = mv/(|q|B)

Raggio

r = 6,645 × 10⁻²⁷·3 × 10⁵/(3,204 × 10⁻¹⁹·0,2) = 0,03111 m = 3,111 cm

Risposta

r = 3,111 cm
8.Campi magnetici e induzione

Risposta: E0 = 589 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·3000/60 = 314,2 rad/s
A = 0,0375 m²

F.e.m. di picco

E₀ = NBAω = 250·0,2·0,0375·314,2 = 589 V

Risposta

E0 = 589 V
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: φ = −81,1 °

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 = 3142·0,02 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·1·10⁻⁶) = 318,3 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (−255,5)²) = 258,6 Ω

Angolo di fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−255,5/40) = −81,1°

Risposta

φ = −81,1°
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: |Z| = 151 Ω

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/(2π·100·4,7·10⁻⁶) = 338,6 Ω

Combinazione in parallelo

Moltiplica numeratore e denominatore per il complesso coniugato per separare Zp in parte reale e parte immaginaria.

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 125,4 − j55,55 Ω

Impedenza totale

Z = 15 + 125,4 − j55,55 = 140,4 − j55,55 Ω
|Z| = √(140,4² + 55,55²) = 151 Ω

Risposta

|Z| = 151 Ω

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