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++3 µCP60 cm

Una carica di +8 µC e una carica di +3 µC si trovano a 60 cm di distanza. Il punto P si trova sulla congiungente, tra le due cariche, a 45 cm dalla prima. Trova il modulo del campo elettrico E in P.

q1 = +8 µCq2 = +3 µCr1 = 45 cmr2 = 15 cm
E = N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
4 cm8 cm+q1​ = +6 µC+q3​ = +2 µC+q2​ = +4 µC

Tre cariche puntiformi positive si trovano ai vertici di un triangolo rettangolo: q₃ = 2 µC è nel vertice dell’angolo retto, q₁ = 6 µC si trova a 4 cm da essa lungo un cateto e q₂ = 4 µC a 8 cm da essa lungo l’altro cateto. Trova il modulo della forza elettrica risultante F su q₃.

q1 = 6 µCq2 = 4 µCq3 = 2 µCr13 = 4 cmr23 = 8 cm
F = N
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 10 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩIR2​AR4​3 ΩB

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 15 VR1 = 10 ΩR2 = 3 ΩR3 = 2 ΩR4 = 3 Ω
IR2 = A
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 4 ΩIR1​R3​ = 25 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​15 ΩAR4​2 ΩBR6​8 Ω

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

V1 = 9 VR1 = 4 ΩR2 = 15 ΩR3 = 25 ΩR4 = 2 ΩR5 = 10 ΩR6 = 8 Ω
IR1 = A
5.Transitori RC e RLMedia
R = 20 Ωt = 0L22 mHi(t)

L’induttore porta una corrente stazionaria di 2 A. A t = 0 l’interruttore chiude la maglia attraverso R e il generatore viene escluso, quindi la corrente dell’induttore decresce attraverso R. Trova la corrente i in t = 1 ms.

i(0) = 2 AR = 20 ΩL = 22 mHt = 1 ms
i = A
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​24 Vsi apre a t = 0R1​ = 3,3 kΩR2​ = 6,8 kΩC47 µF+−vC​

L’interruttore è chiuso da molto tempo, quindi il circuito è a regime. A t = 0 l’interruttore si apre. Trova la tensione del condensatore vC in t = 120 ms.

Vs = 24 VR1 = 3,3 kΩR2 = 6,8 kΩC = 47 µFt = 120 ms
vC = V
7.Campi magnetici e induzioneMedia
5 A12 Ad = 2 cmP

Due fili paralleli lunghi, a 2 cm di distanza, sono percorsi da correnti di 5 A e 12 A nello stesso verso. Trova il modulo della densità di flusso magnetico B nel punto P, a metà tra di essi.

I1 = 5 AI2 = 12 Ad = 2 cmμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
B = µT
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
l = 10 cmN = 1500, ⌀ 1 cm

Un solenoide lungo con nucleo d’aria ha 1500 spire, una lunghezza di 10 cm e un diametro di 1 cm. Trova la sua autoinduttanza L.

N = 1500l = 10 cm⌀ = 1 cmμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
L = mH
9.Impedenza AC e fasoriMedia
230 V60 HzR = 80 ΩL = 200 mHC = 4,7 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 230 V (efficaci), 60 Hz. Trova la potenza attiva P assorbita dall’alimentazione.

V = 230 V (rms)f = 60 HzR = 80 ΩL = 200 mHC = 4,7 µF
P = W
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
24 V60 HzR = 10 ΩL = 100 mHC = 22 µF

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 24 V (efficaci), 60 Hz. Trova la frequenza di risonanza f0 del circuito.

V = 24 V (rms)f = 60 HzR = 10 ΩL = 100 mHC = 22 µF
f0 = Hz

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 843506 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 × 10⁻⁶/0,45² = 355160 N/C
E2 = k·3 × 10⁻⁶/0,15² = 1,199 × 10⁶ 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 = |355160 − 1,199 × 10⁶| = 843506 N/C

Risposta

E = 843506 N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: F = 68,36 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·6·2 × 10⁻¹²/0,04² = 67,42 N
F2 = k·4·2 × 10⁻¹²/0,08² = 11,24 N

Somma vettoriale

F = √(67,42² + 11,24²) = 68,36 N

Risposta

F = 68,36 N
3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 0,7895 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​ = 10 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAR4​3 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 + 3 = 5 Ω
R2 ∥ 5 = 3·5/(3+5) = 1,875 Ω
Req = R1 + 1,875 = 10 + 1,875 = 11,88 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 = 15/11,88 = 1,263 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 − 1,263·10 = 2,368 V
IR2 = VA/R2 = 2,368/3 = 0,7895 A

Risposta

IR2 = 0,7895 A
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR1 = 0,6609 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​ = 4 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​9 VR2​15 ΩAR4​2 ΩBR6​8 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 + 8 = 18 Ω
R4 ∥ 18 = 1,8 Ω
R3 + 1,8 = 26,8 Ω
R2 ∥ 26,8 = 9,617 Ω
Req = R1 + 9,617 = 4 + 9,617 = 13,62 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 = 9/13,62 = 0,6609 A

Risposta

IR1 = 0,6609 A
5.Transitori RC e RL

Risposta: i = 0,8058 A

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

τ = L/R = 22 mH / 20 Ω = 1,1 ms

Decadimento della corrente

i(t) = 2·e−1/1,1 = 0,8058 A

Risposta

i = 0,8058 A
6.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 11,1 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.

Tensione iniziale del condensatore

A regime il condensatore è un circuito aperto, quindi R₁ e R₂ formano un partitore di tensione. La tensione del condensatore non può variare bruscamente quando l’interruttore si apre.

vC(0) = 24·6,8/(3,3 + 6,8) = 16,16 V

Costante di tempo dopo l’apertura dell’interruttore

τ = R2·C = 6,8·47 = 319,6 ms

Scarica

vC(t) = 16,16·e−120/319,6 = 11,1 V

Risposta

vC = 11,1 V
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: B = 140 µT

Campo magnetico delle correnti: attorno a un filo rettilineo lungo le linee di campo sono circonferenze (regola della mano destra) con B = μ₀I/(2πr). Al centro di una bobina circolare piana di N spire, B = μ₀NI/(2R). All’interno di un solenoide lungo il campo è uniforme, B = μ₀nI con n = N/L spire per metro, qualunque sia il raggio. μ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A. Lavora in unità SI (metri e ampere) e somma vettorialmente i campi di più sorgenti.

Campo di ciascun filo in P

B1 = 2 × 10⁻⁷·5/0,01 = 100 µT
B2 = 2 × 10⁻⁷·12/0,01 = 240 µT

Combina

B = |B₁ − B₂| = 140 µT

Risposta

B = 140 µT
8.Campi magnetici e induzione

Risposta: L = 2,221 mH

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).

Sezione trasversale

A = π·(0,005)² = 7,854 × 10⁻⁵ m²

Autoinduttanza

L = μ₀N²A/l = 4π × 10⁻⁷·1500²·7,854 × 10⁻⁵/0,1 = 0,002221 H = 2,221 mH

Risposta

L = 2,221 mH
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: P = 17,24 W

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

XL = 75,4 Ω, XC = 564,4 Ω

Impedenza

|Z| = √(80² + (−489)²) = 495,5 Ω

Potenza attiva

Induttori e condensatori si limitano ad accumulare e restituire energia; il resistore assorbe tutta la potenza attiva.

I = 230/495,5 = 0,4642 A
P = I²·R = 0,4642²·80 = 17,24 W

Risposta

P = 17,24 W
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: f0 = 107,3 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·√(0,1·22·10⁻⁶)) = 107,3 Hz

Risposta

f0 = 107,3 Hz

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