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++4 µCP60 cm

Una carica di +8 µC e una carica di +4 µC si trovano a 60 cm di distanza. Il punto P si trova sulla congiungente, tra le due cariche, a 30 cm dalla prima. Trova il modulo del campo elettrico E in P.

q1 = +8 µCq2 = +4 µCr1 = 30 cmr2 = 30 cm
E = N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
10 cm6 cm+q1​ = +6 µC+q3​ = +2 µC+q2​ = +6 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 10 cm da essa lungo un cateto e q₂ = 6 µC a 6 cm da essa lungo l’altro cateto. Trova il modulo della forza elettrica risultante F su q₃.

q1 = 6 µCq2 = 6 µCq3 = 2 µCr13 = 10 cmr23 = 6 cm
F = N
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 20 ΩIR1​R3​ = 4 Ω+−V1​6 VR2​3 ΩAR4​15 ΩB

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

V1 = 6 VR1 = 20 ΩR2 = 3 ΩR3 = 4 ΩR4 = 15 Ω
IR1 = A
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 4 ΩIR1​R3​ = 12 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​36 VR2​5 ΩAR4​15 ΩBR6​30 Ω

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

V1 = 36 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 12 ΩR4 = 15 ΩR5 = 12 ΩR6 = 30 Ω
IR1 = A
5.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​6 Vt = 0R1​ = 3,3 kΩR2​ = 10 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 costante di tempo τ del circuito dopo la chiusura dell’interruttore.

Vs = 6 VR1 = 3,3 kΩR2 = 10 kΩC = 22 µF
τ = ms
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​5 Vt = 0R = 10 kΩC10 µF+−vC​vC​(0) = 4 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 4 V con la polarità indicata. Trova la tensione del condensatore vC in t = 200 ms.

Vs = 5 VR = 10 kΩC = 10 µFvC(0) = 4 Vt = 200 ms
vC = V
7.Campi magnetici e induzioneMedia
−v = 1 × 10⁶ m/sr = ?B = 5 mT

Un elettrone si muove a 1 × 10⁶ m/s perpendicolarmente a un campo magnetico uniforme di 5 mT. Trova il raggio r della sua traiettoria circolare.

m = 9,109 × 10⁻³¹ kg|q| = 1,602 × 10⁻¹⁹ Cv = 1 × 10⁶ m/sB = 5 mT
r = cm
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
L = 20 mH1,5 → 1 A

La corrente in un induttore da 20 mH varia in modo costante da 1,5 A a 1 A in 10 ms. Trova il modulo della f.e.m. autoindotta ε.

L = 20 mH1,5 A → 1 AΔt = 10 ms
ε = V
9.Impedenza AC e fasoriMedia
24 V500 HzR = 50 ΩL = 250 mHC = 47 µF

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 24 V (efficaci), 500 Hz. Trova l’angolo di fase φ dell’impedenza, in gradi (positivo quando la corrente è in ritardo sulla tensione).

V = 24 V (rms)f = 500 HzR = 50 ΩL = 250 mHC = 47 µF
φ = °
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
VfR = 1 ΩL = 100 mHC = 10 µF

Un circuito RLC serie ha R = 1 Ω, L = 100 mH e C = 10 µF. Trova la sua larghezza di banda B (l’ampiezza della banda tra le frequenze a metà potenza), in Hz.

R = 1 ΩL = 100 mHC = 10 µF
B = Hz

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 399556 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 × 10⁻⁶/0,3² = 799111 N/C
E2 = k·4 × 10⁻⁶/0,3² = 399556 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 = |799111 − 399556| = 399556 N/C

Risposta

E = 399556 N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: F = 31,85 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 × 10⁻¹²/0,1² = 10,79 N
F2 = k·6·2 × 10⁻¹²/0,06² = 29,97 N

Somma vettoriale

F = √(10,79² + 29,97²) = 31,85 N

Risposta

F = 31,85 N
3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR1 = 0,2656 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​ = 20 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​6 VR2​3 ΩAR4​15 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 = 4 + 15 = 19 Ω
R2 ∥ 19 = 3·19/(3+19) = 2,591 Ω
Req = R1 + 2,591 = 20 + 2,591 = 22,59 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 = 6/22,59 = 0,2656 A

Risposta

IR1 = 0,2656 A
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR1 = 4,44 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​ = 12 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​36 VR2​5 ΩAR4​15 ΩBR6​30 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 + 30 = 42 Ω
R4 ∥ 42 = 11,05 Ω
R3 + 11,05 = 23,05 Ω
R2 ∥ 23,05 = 4,109 Ω
Req = R1 + 4,109 = 4 + 4,109 = 8,109 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 = 36/8,109 = 4,44 A

Risposta

IR1 = 4,44 A
5.Transitori RC e RL

Risposta: τ = 54,59 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.

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 = 3,3·10/(3,3 + 10) = 2,481 kΩ
vC(∞) = 6·10/(3,3 + 10) = 4,511 V

Costante di tempo

τ = Rth·C = 2,481·22 = 54,59 ms

Risposta

τ = 54,59 ms
6.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 4,865 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.

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) = 4 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 10 kΩ · 10 µF = 100 ms
vC(t) = 5 + (4 − 5)·e−t/τ

Tensione all’istante dato

vC(200) = 5 + (−1)·e−200/100 = 4,865 V

Risposta

vC = 4,865 V
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: r = 0,1137 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 = 9,109 × 10⁻³¹·1 × 10⁶/(1,602 × 10⁻¹⁹·0,005) = 0,001137 m = 0,1137 cm

Risposta

r = 0,1137 cm
8.Campi magnetici e induzione

Risposta: ε = 1 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 = 0,02·0,5/0,01 = 1 V

Risposta

ε = 1 V
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: φ = 86,33 °

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 = 3142·0,25 = 785,4 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·47·10⁻⁶) = 6,773 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(50² + (778,6)²) = 780,2 Ω

Angolo di fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(778,6/50) = 86,33°

Risposta

φ = 86,33°
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: B = 1,592 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|.

Frequenza di risonanza

f0 = 1/(2π·√(0,1·10·10⁻⁶)) = 159,2 Hz

Fattore di qualità

Q confronta la reattanza in risonanza con la resistenza: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/1)·√(0,1/(10·10⁻⁶)) = 100

Larghezza di banda

B = f0/Q = 159,2/100 = 1,592 Hz

Risposta

B = 1,592 Hz

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