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
++2 µC−−1 µCP30 cm

Una carica di +2 µC e una carica di −1 µC si trovano a 30 cm di distanza. Il punto P si trova sulla congiungente, tra le due cariche, a 12 cm dalla prima. Trova il modulo del campo elettrico E in P.

q1 = +2 µCq2 = −1 µCr1 = 12 cmr2 = 18 cm
E = N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
8 cm8 cm+q1​ = +6 µC+q3​ = +8 µC+q2​ = +5 µC

Tre cariche puntiformi positive si trovano ai vertici di un triangolo rettangolo: q₃ = 8 µC è nel vertice dell’angolo retto, q₁ = 6 µC si trova a 8 cm da essa lungo un cateto e q₂ = 5 µC a 8 cm da essa lungo l’altro cateto. Trova il modulo della forza elettrica risultante F su q₃.

q1 = 6 µCq2 = 5 µCq3 = 8 µCr13 = 8 cmr23 = 8 cm
F = N
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩIR2​AR4​20 ΩB

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 24 VR1 = 15 ΩR2 = 12 ΩR3 = 4 ΩR4 = 20 Ω
IR2 = A
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 15 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​18 VR2​25 ΩAR4​30 ΩBR6​3 Ω

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 18 VR1 = 15 ΩR2 = 25 ΩR3 = 12 ΩR4 = 30 ΩR5 = 5 ΩR6 = 3 Ω
Req = Ω
5.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​24 Vt = 0R = 33 ΩL220 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 75% del suo valore finale? Trova t.

Vs = 24 VR = 33 ΩL = 220 mH
t = ms
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​15 Vsi apre a t = 0R1​ = 2,2 kΩR2​ = 6,8 kΩC100 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 = 500 ms.

Vs = 15 VR1 = 2,2 kΩR2 = 6,8 kΩC = 100 µFt = 500 ms
vC = V
7.Campi magnetici e induzioneMedia
IBF = ?

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

I: verso destraB: verso l’interno della pagina
  1. 1verso l’alto
  2. 2verso destra
  3. 3verso il basso
  4. 4verso sinistra
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
Bn = 300 rpm12 cm × 15 cmN = 200B = 0,1 T

Una bobina di 200 spire, 12 cm × 15 cm, ruota a 300 giri/min in un campo uniforme di 0,1 T attorno a un asse perpendicolare al campo. Trova la f.e.m. di picco E0.

N = 200A = 12 cm × 15 cmB = 0,1 Tn = 300 rpm
E0 = V
9.Impedenza AC e fasoriMedia
Vf0​ = 50 HzRL = ?C = 22 µF

Un circuito RLC serie con C = 22 µF deve entrare in risonanza a 50 Hz. Trova l’induttanza L necessaria.

f0 = 50 HzC = 22 µF
L = mH
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
5 Vf0​R = 20 ΩL = 200 mHC = 10 µF

Un circuito RLC serie è alimentato da un generatore da 5 V (efficaci) la cui frequenza è regolata sulla frequenza di risonanza del circuito. Trova la tensione efficace VL ai capi dell’induttore.

V = 5 V (rms)R = 20 ΩL = 200 mHC = 10 µF
VL = V

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 1,526 × 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·2 × 10⁻⁶/0,12² = 1,249 × 10⁶ N/C
E2 = k·1 × 10⁻⁶/0,18² = 277469 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 = |1,249 × 10⁶ + 277469| = 1,526 × 10⁶ N/C

Risposta

E = 1,526 × 10⁶ N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: F = 87,77 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·6·8 × 10⁻¹²/0,08² = 67,42 N
F2 = k·5·8 × 10⁻¹²/0,08² = 56,19 N

Somma vettoriale

F = √(67,42² + 56,19²) = 87,77 N

Risposta

F = 87,77 N
3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 0,6957 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​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​24 VR2​12 ΩAR4​20 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 + 20 = 24 Ω
R2 ∥ 24 = 12·24/(12+24) = 8 Ω
Req = R1 + 8 = 15 + 8 = 23 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 = 24/23 = 1,043 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 = 24 − 1,043·15 = 8,348 V
IR2 = VA/R2 = 8,348/12 = 0,6957 A

Risposta

IR2 = 0,6957 A
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 25,57 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​ = 15 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​18 VR2​25 ΩAR4​30 ΩBR6​3 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 = 5 + 3 = 8 Ω
R4 ∥ 8 = 6,316 Ω
R3 + 6,316 = 18,32 Ω
R2 ∥ 18,32 = 10,57 Ω
Req = R1 + 10,57 = 15 + 10,57 = 25,57 Ω

Risposta

Req = 25,57 Ω
5.Transitori RC e RL

Risposta: t = 9,242 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 = 220 mH / 33 Ω = 6,667 ms
i(∞) = Vs/R = 24/33 = 0,7273 A

Risolvi per il tempo

0,75 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,75)
t = −6,667·ln(0,25) = 9,242 ms

Risposta

t = 9,242 ms
6.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 5,433 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) = 15·6,8/(2,2 + 6,8) = 11,33 V

Costante di tempo dopo l’apertura dell’interruttore

τ = R2·C = 6,8·100 = 680 ms

Scarica

vC(t) = 11,33·e−500/680 = 5,433 V

Risposta

vC = 5,433 V
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: verso l’alto

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 destra, B: verso l’interno della pagina

Verso della forza

verso l’alto

Risposta

F: verso l’alto
8.Campi magnetici e induzione

Risposta: E0 = 11,31 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·300/60 = 31,42 rad/s
A = 0,018 m²

F.e.m. di picco

E₀ = NBAω = 200·0,1·0,018·31,42 = 11,31 V

Risposta

E0 = 11,31 V
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: L = 460,6 mH

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|.

Condizione di risonanza

In risonanza le reattanze induttiva e capacitiva si annullano: ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·50 = 314,2 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(314,2²·22·10⁻⁶) = 460,6 mH

Risposta

L = 460,6 mH
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: VL = 35,36 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|.

Risonanza

In risonanza le reattanze si annullano, quindi l’impedenza è semplicemente R.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,2·10·10⁻⁶) = 707,1 rad/s
I = V/R = 5/20 = 0,25 A

Tensione ai capi dell’induttore

XL = ω₀L = 707,1·0,2 = 141,4 Ω
VL = I·XL = 0,25·141,4 = 35,36 V

Risposta

VL = 35,36 V

Questo è Q = 7,071 volte la tensione di alimentazione.

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