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++8 µCP30 cm

Una carica di +4 µC e una carica di +8 µC si trovano a 30 cm di distanza. Il punto P si trova sulla congiungente, tra le due cariche, a 15 cm dalla prima. Trova il modulo del campo elettrico E in P.

q1 = +4 µCq2 = +8 µCr1 = 15 cmr2 = 15 cm
E = N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
10 cm10 cm+q1​ = +8 µC+q3​ = +8 µC+q2​ = +6 µC

Tre cariche puntiformi positive si trovano ai vertici di un triangolo rettangolo: q₃ = 8 µC è nel vertice dell’angolo retto, q₁ = 8 µC si trova a 10 cm da essa lungo un cateto e q₂ = 6 µC a 10 cm da essa lungo l’altro cateto. Trova il modulo della forza elettrica risultante F su q₃.

q1 = 8 µCq2 = 6 µCq3 = 8 µCr13 = 10 cmr23 = 10 cm
F = N
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 12 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​20 ΩAR4​3 ΩB

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 18 VR1 = 12 ΩR2 = 20 ΩR3 = 10 ΩR4 = 3 Ω
Req = Ω
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 20 ΩIR1​R3​ = 2 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAR4​3 ΩBR6​3 Ω

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

V1 = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 6 ΩR3 = 2 ΩR4 = 3 ΩR5 = 6 ΩR6 = 3 Ω
IR1 = A
5.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​15 Vt = 0R = 15 ΩL150 mHi(t)

L’induttore non porta corrente prima che l’interruttore si chiuda in t = 0. Trova la corrente i in t = 10 ms.

Vs = 15 VR = 15 ΩL = 150 mHt = 10 ms
i = A
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​12 VR1​ = 22 ΩR2​ = 47 Ωsi apre a t = 0L220 mHi(t)

L’interruttore in parallelo a R2 è chiuso da molto tempo, quindi la corrente dell’induttore è stazionaria. A t = 0 l’interruttore si apre. Quanto tempo dopo t = 0 la corrente dell’induttore raggiunge 0,285 A? Trova t.

Vs = 12 VR1 = 22 ΩR2 = 47 ΩL = 220 mH
t = ms
7.Campi magnetici e induzioneMedia
R = 2,5 Ωv = 2 m/sL = 100 cmB = 0,1 T

Un’asta metallica lunga 100 cm scorre a 2 m/s lungo due rotaie in un campo uniforme di 0,1 T entrante nella pagina. Le rotaie sono collegate da un resistore da 2,5 Ω; l’asta e le rotaie hanno resistenza trascurabile. Trova la forza F necessaria per mantenere l’asta in movimento a velocità costante (senza attrito).

B = 0,1 TL = 100 cmv = 2 m/sR = 2,5 Ω
F = mN
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
V = 10000 VB = 0,4 Tr = ?

Un protone parte da fermo, viene accelerato attraverso una differenza di potenziale di 10000 V e poi entra ad angolo retto in un campo magnetico uniforme di 0,4 T. Trova il raggio r della sua traiettoria nel campo.

m = 1,673 × 10⁻²⁷ kg|q| = 1,602 × 10⁻¹⁹ CV = 10000 VB = 0,4 T
r = cm
9.Impedenza AC e fasoriMedia
Vf0​ = 5000 HzRL = ?C = 1 µF

Un circuito RLC serie con C = 1 µF deve entrare in risonanza a 5000 Hz. Trova l’induttanza L necessaria.

f0 = 5000 HzC = 1 µF
L = mH
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
100 V50 HzR1​ = 20 ΩR2​ = 80 ΩC = 100 µFI

Un resistore R1 è collegato in serie a un parallelo tra R2 e un condensatore C, a un’alimentazione da 100 V (efficaci), 50 Hz. Trova la corrente efficace I.

V = 100 V (rms)f = 50 HzR1 = 20 ΩR2 = 80 ΩC = 100 µF
I = A

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 1,598 × 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·4 × 10⁻⁶/0,15² = 1,598 × 10⁶ N/C
E2 = k·8 × 10⁻⁶/0,15² = 3,196 × 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 = |1,598 × 10⁶ − 3,196 × 10⁶| = 1,598 × 10⁶ N/C

Risposta

E = 1,598 × 10⁶ N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: F = 71,92 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·8·8 × 10⁻¹²/0,1² = 57,54 N
F2 = k·6·8 × 10⁻¹²/0,1² = 43,15 N

Somma vettoriale

F = √(57,54² + 43,15²) = 71,92 N

Risposta

F = 71,92 N
3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 19,88 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​ = 12 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​18 VR2​20 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 = 10 + 3 = 13 Ω
R2 ∥ 13 = 20·13/(20+13) = 7,879 Ω
Req = R1 + 7,879 = 12 + 7,879 = 19,88 Ω

Risposta

Req = 19,88 Ω
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR1 = 0,5336 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​ = 2 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​12 VR2​6 ΩAR4​3 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 = 6 + 3 = 9 Ω
R4 ∥ 9 = 2,25 Ω
R3 + 2,25 = 4,25 Ω
R2 ∥ 4,25 = 2,488 Ω
Req = R1 + 2,488 = 20 + 2,488 = 22,49 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 = 12/22,49 = 0,5336 A

Risposta

IR1 = 0,5336 A
5.Transitori RC e RL

Risposta: i = 0,6321 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 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 = 150 mH / 15 Ω = 10 ms
i(∞) = Vs/R = 15/15 = 1 A

Corrente all’istante dato

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 1·(1 − e−10/10) = 0,6321 A

Risposta

i = 0,6321 A
6.Transitori RC e RL

Risposta: t = 3,85 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

Prima di t = 0 l’interruttore chiuso esclude R₂; dopo, R₁ e R₂ sono entrambi nella maglia.

i(0) = 12/22 = 0,5455 A
i(∞) = 12/(22 + 47) = 0,1739 A
τ = L/R = 220/69 = 3,188 ms
i(t) = 0,1739 + (0,5455 − 0,1739)·e−t/τ

Risolvi per il tempo

e−t/τ = (0,285 − 0,1739)/(0,5455 − 0,1739) = 0,299
t = 3,188·ln(3,345) = 3,85 ms

Risposta

t = 3,85 ms
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: F = 8 mN

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. di movimento

ε = BLv = 0,1·1·2 = 0,2 V

Corrente

I = ε/R = 0,2/2,5 = 0,08 A

Forza frenante

Legge di Lenz: la forza sulla corrente indotta si oppone al moto.

F = BIL = 0,1·0,08·1 = 0,008 N

Risposta

F = 8 mN
8.Campi magnetici e induzione

Risposta: r = 3,613 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).

Velocità dopo l’accelerazione

v = √(2|q|V/m) = √(2·1,602 × 10⁻¹⁹·10000/(1,673 × 10⁻²⁷)) = 1,384 × 10⁶ m/s

Raggio nel campo

r = mv/(|q|B) = 0,03613 m = 3,613 cm

Risposta

r = 3,613 cm

In combinazione: r = √(2mV/|q|)/B, quindi gli ioni più pesanti con la stessa carica descrivono circonferenze più grandi; così si separano gli isotopi.

9.Impedenza AC e fasori

Risposta: L = 1,013 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·5000 = 31416 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(31416²·1·10⁻⁶) = 1,013 mH

Risposta

L = 1,013 mH
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 2,417 A

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·50·100·10⁻⁶) = 31,83 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 = 10,93 − j27,48 Ω

Impedenza totale

Z = 20 + 10,93 − j27,48 = 30,93 − j27,48 Ω
|Z| = √(30,93² + 27,48²) = 41,38 Ω

Corrente

I = V/|Z| = 100/41,38 = 2,417 A

Risposta

I = 2,417 A

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