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
++6 µC−−5 µCP10 cm

Una carica di +6 µC e una carica di −5 µC si trovano a 10 cm di distanza. Il punto P si trova sulla congiungente, tra le due cariche, a 2,5 cm dalla prima. Trova il modulo del campo elettrico E in P.

q1 = +6 µCq2 = −5 µCr1 = 2,5 cmr2 = 7,5 cm
E = N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
+ + + + + +− − − − − −e⁻3,5 × 10⁷ m/s6 cmE = 3800 N/C

Un elettrone entra nel campo uniforme tra due armature parallele muovendosi parallelamente a esse a 3,5 × 10⁷ m/s. Le armature sono lunghe 6 cm e il campo tra di esse è 3800 N/C. Carica dell’elettrone 1,602 × 10⁻¹⁹ C, massa 9,109 × 10⁻³¹ kg; trascura la gravità. Di quanto y viene deviato lateralmente quando esce dalle armature? Dai la risposta in mm.

v₀ = 3,5 × 10⁷ m/sL = 6 cmE = 3800 N/Ce = 1,602 × 10⁻¹⁹ Cme = 9,109 × 10⁻³¹ kg
y = mm
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 15 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​15 VR2​3 ΩAR4​15 ΩB

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 15 VR1 = 15 ΩR2 = 3 ΩR3 = 4 ΩR4 = 15 Ω
Req = Ω
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 5 ΩIR1​R3​ = 20 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​30 ΩAR4​15 ΩBR6​6 Ω

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

V1 = 18 VR1 = 5 ΩR2 = 30 ΩR3 = 20 ΩR4 = 15 ΩR5 = 20 ΩR6 = 6 Ω
IR1 = A
5.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​10 Vt = 0R = 47 ΩL22 mHi(t)

L’induttore non porta corrente prima che l’interruttore si chiuda in t = 0. Trova l’energia W(∞) immagazzinata nell’induttore una volta che il circuito si è stabilizzato, in mJ.

Vs = 10 VR = 47 ΩL = 22 mH
W(∞) = mJ
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​12 Vt = 0R = 1 kΩC47 µF+−vC​vC​(0) = 24 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 24 V con la polarità indicata. Quanto tempo serve perché vC raggiunga 18 V? Trova t.

Vs = 12 VR = 1 kΩC = 47 µFvC(0) = 24 V
t = ms
7.Campi magnetici e induzioneMedia
IBF = ?

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

I: verso l’altoB: 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 = ?20 cm × 20 cmN = 500B = 0,05 T

Una bobina di 500 spire, 20 cm × 20 cm, ruota in un campo uniforme di 0,05 T attorno a un asse perpendicolare al campo. A quale velocità n (in giri al minuto) deve girare per dare una f.e.m. efficace di 66,64 V?

N = 500A = 20 cm × 20 cmB = 0,05 TErms = 66,64 V
n = rpm
9.Impedenza AC e fasoriMedia
50 V60 HzR = 25 ΩL = 150 mHC = 22 µF

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 50 V (efficaci), 60 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 = 60 HzR = 25 ΩL = 150 mHC = 22 µF
φ = °
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
50 V50 HzR = 20 ΩL = 100 mHC = 10 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 50 V (efficaci), 50 Hz. Trova la corrente efficace I.

V = 50 V (rms)f = 50 HzR = 20 ΩL = 100 mHC = 10 µF
I = A

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 9,43 × 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·6 × 10⁻⁶/0,025² = 8,63 × 10⁷ N/C
E2 = k·5 × 10⁻⁶/0,075² = 7,991 × 10⁶ 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 = |8,63 × 10⁷ + 7,991 × 10⁶| = 9,43 × 10⁷ N/C

Risposta

E = 9,43 × 10⁷ N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: y = 0,982 mm

Coulomb’s law: two point charges attract or repel with F = k·|q₁·q₂|/r², with k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C². The field of a point charge is E = k·|q|/r², pointing away from a positive charge and towards a negative one. Forces and fields from several charges add as vectors.

Tempo tra le armature

t = L/v₀ = 0,06/3,5 × 10⁷ = 1,714 × 10⁻⁹ s

Accelerazione laterale

a = e·E/m = 1,602 × 10⁻¹⁹·3800/9,109 × 10⁻³¹ = 6,683 × 10¹⁴ m/s²

Freccia

y = ½·a·t² = ½·6,683 × 10¹⁴·(1,714 × 10⁻⁹)² = 0,000982 m = 0,982 mm

Risposta

y = 0,982 mm

L’elettrone viene spinto verso l’armatura positiva, in verso opposto al campo.

3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 17,59 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​ = 4 Ω+−V1​15 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 = 15 + 2,591 = 17,59 Ω

Risposta

Req = 17,59 Ω
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR1 = 0,9056 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​ = 5 ΩR3​ = 20 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​18 VR2​30 ΩAR4​15 ΩBR6​6 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 = 20 + 6 = 26 Ω
R4 ∥ 26 = 9,512 Ω
R3 + 9,512 = 29,51 Ω
R2 ∥ 29,51 = 14,88 Ω
Req = R1 + 14,88 = 5 + 14,88 = 19,88 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 = 18/19,88 = 0,9056 A

Risposta

IR1 = 0,9056 A
5.Transitori RC e RL

Risposta: W(∞) = 0,498 mJ

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 = 22 mH / 47 Ω = 0,4681 ms
i(∞) = Vs/R = 10/47 = 0,2128 A

Energia immagazzinata

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·22·0,2128² = 0,498 mJ

Risposta

W(∞) = 0,498 mJ
6.Transitori RC e RL

Risposta: t = 32,58 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

La tensione del condensatore non può saltare, quindi parte dal valore immagazzinato e tende alla tensione del generatore.

vC(0) = 24 V, vC(∞) = Vs = 12 V
τ = R·C = 1 kΩ · 47 µF = 47 ms
vC(t) = 12 + (24 − 12)·e−t/τ

Risolvi per il tempo

18 = 12 + (12)·e−t/τ → e−t/τ = (18 − 12)/(24 − 12) = 0,5
t = τ·ln((24 − 12)/(18 − 12)) = 47·ln(2) = 32,58 ms

Risposta

t = 32,58 ms
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: verso sinistra

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 l’alto, B: verso l’interno della pagina

Verso della forza

verso sinistra

Risposta

F: verso sinistra
8.Campi magnetici e induzione

Risposta: n = 900 rpm

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 picco

E₀ = √2·Erms = 94,24 V

Velocità angolare

ω = E₀/(NBA) = 94,24/(500·0,05·0,04) = 94,24 rad/s

Giri al minuto

n = 60·94,24/(2π) = 900 rpm

Risposta

n = 900 rpm
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: φ = −68,67 °

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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,15 = 56,55 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·22·10⁻⁶) = 120,6 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(25² + (−64,02)²) = 68,73 Ω

Angolo di fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−64,02/25) = −68,67°

Risposta

φ = −68,67°
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 0,1739 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|.

Reattanze

ω = 2πf = 2π·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,1 = 31,42 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·10·10⁻⁶) = 318,3 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(20² + (−286,9)²) = 287,6 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 50/287,6 = 0,1739 A

Risposta

I = 0,1739 A

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