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.

Nuovi eserciziTorna al corso

Nella finestra di stampa scegli “Salva come PDF” per conservarne una copia sul tuo dispositivo.

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 µCP30 cm

Una carica di +8 µC e una carica di −3 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 = +8 µCq2 = −3 µCr1 = 12 cmr2 = 18 cm
E = N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
5 cm4 cm+q1​ = +2 µC+q3​ = +3 µC+q2​ = +3 µC

Tre cariche puntiformi positive si trovano ai vertici di un triangolo rettangolo: q₃ = 3 µC è nel vertice dell’angolo retto, q₁ = 2 µC si trova a 5 cm da essa lungo un cateto e q₂ = 3 µC a 4 cm da essa lungo l’altro cateto. Trova il modulo della forza elettrica risultante F su q₃.

q1 = 2 µCq2 = 3 µCq3 = 3 µCr13 = 5 cmr23 = 4 cm
F = N
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 3 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​3 ΩIR2​AR4​20 ΩB

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 18 VR1 = 3 ΩR2 = 3 ΩR3 = 3 ΩR4 = 20 Ω
IR2 = A
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 20 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​15 ΩIR2​AR4​10 ΩBR6​4 Ω

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 6 VR1 = 20 ΩR2 = 15 ΩR3 = 12 ΩR4 = 10 ΩR5 = 12 ΩR6 = 4 Ω
IR2 = A
5.Transitori RC e RLMedia
R = 50 Ωt = 0L47 mHi(t)

L’induttore porta una corrente stazionaria di 3 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 tensione vR ai capi di R a t = 1 ms.

i(0) = 3 AR = 50 ΩL = 47 mHt = 1 ms
vR = V
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​6 VR1​ = 33 ΩR2​ = 20 Ωsi apre a t = 0L68 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. Trova la corrente dell’induttore i a t = 1 ms.

Vs = 6 VR1 = 33 ΩR2 = 20 ΩL = 68 mHt = 1 ms
i = A
7.Campi magnetici e induzioneMedia
nBA = 150 cm², N = 100B: 0,1 → 0,7 T

Una bobina di 100 spire ha un’area di 150 cm². Un campo uniforme perpendicolare alla bobina sale in modo costante da 0,1 T a 0,7 T in 250 ms. Trova la f.e.m. indotta media ε.

N = 100A = 150 cm²B: 0,1 T → 0,7 TΔt = 250 ms
ε = V
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
V = 2500 VB = 0,2 Tr = ?

Un protone parte da fermo, viene accelerato attraverso una differenza di potenziale di 2500 V e poi entra ad angolo retto in un campo magnetico uniforme di 0,2 T. Trova il raggio r della sua traiettoria nel campo.

m = 1,673 × 10⁻²⁷ kg|q| = 1,602 × 10⁻¹⁹ CV = 2500 VB = 0,2 T
r = cm
9.Impedenza AC e fasoriMedia
100 V50 HzR = 20 ΩL = 50 mHC = 100 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 100 V (efficaci), 50 Hz. Trova la potenza attiva P assorbita dall’alimentazione.

V = 100 V (rms)f = 50 HzR = 20 ΩL = 50 mHC = 100 µF
P = W
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
100 V500 HzR = 15 ΩL = 50 mHC = 22 µF+−VC​

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 100 V (efficaci), 500 Hz. Trova la tensione efficace VC ai capi del condensatore.

V = 100 V (rms)f = 500 HzR = 15 ΩL = 50 mHC = 22 µF
VC = V

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 5,827 × 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·8 × 10⁻⁶/0,12² = 4,994 × 10⁶ N/C
E2 = k·3 × 10⁻⁶/0,18² = 832407 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 = |4,994 × 10⁶ + 832407| = 5,827 × 10⁶ N/C

Risposta

E = 5,827 × 10⁶ N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: F = 54,98 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·2·3 × 10⁻¹²/0,05² = 21,58 N
F2 = k·3·3 × 10⁻¹²/0,04² = 50,57 N

Somma vettoriale

F = √(21,58² + 50,57²) = 54,98 N

Risposta

F = 54,98 N
3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 2,816 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​ = 3 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​18 VR2​3 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 = 3 + 20 = 23 Ω
R2 ∥ 23 = 3·23/(3+23) = 2,654 Ω
Req = R1 + 2,654 = 3 + 2,654 = 5,654 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 = 18/5,654 = 3,184 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 = 18 − 3,184·3 = 8,449 V
IR2 = VA/R2 = 8,449/3 = 2,816 A

Risposta

IR2 = 2,816 A
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 0,1164 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​ = 12 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​6 VR2​15 ΩAR4​10 ΩBR6​4 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 + 4 = 16 Ω
R4 ∥ 16 = 6,154 Ω
R3 + 6,154 = 18,15 Ω
R2 ∥ 18,15 = 8,213 Ω
Req = R1 + 8,213 = 20 + 8,213 = 28,21 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 = 6/28,21 = 0,2127 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 = 6 − 0,2127·20 = 1,747 V
IR2 = VA/R2 = 1,747/15 = 0,1164 A

Risposta

IR2 = 0,1164 A
5.Transitori RC e RL

Risposta: vR = 51,77 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.

Costante di tempo

τ = L/R = 47 mH / 50 Ω = 0,94 ms

Decadimento della corrente

i(t) = 3·e−1/0,94 = 1,035 A
vR = R·i = 50·1,035 = 51,77 V

Risposta

vR = 51,77 V
6.Transitori RC e RL

Risposta: i = 0,1447 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.

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) = 6/33 = 0,1818 A
i(∞) = 6/(33 + 20) = 0,1132 A
τ = L/R = 68/53 = 1,283 ms
i(t) = 0,1132 + (0,1818 − 0,1132)·e−t/τ

Corrente all’istante dato

i(1) = 0,1132 + (0,06861)·e−1/1,283 = 0,1447 A

Risposta

i = 0,1447 A
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: ε = 3,6 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).

Variazione di flusso per spira

ΔΦ = (0,7 − 0,1)·0,015 = 0,009 Wb

F.e.m. media

ε = NΔΦ/Δt = 100·0,009/0,25 = 3,6 V

Risposta

ε = 3,6 V
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 × 10⁻¹⁹·2500/(1,673 × 10⁻²⁷)) = 691940 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: P = 303,1 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 = 15,71 Ω, XC = 31,83 Ω

Impedenza

|Z| = √(20² + (−16,12)²) = 25,69 Ω

Potenza attiva

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

I = 100/25,69 = 3,893 A
P = I²·R = 3,893²·20 = 303,1 W

Risposta

P = 303,1 W
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: VC = 10,09 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|.

Reattanze

ω = 2πf = 2π·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,05 = 157,1 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·22·10⁻⁶) = 14,47 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(15² + (142,6)²) = 143,4 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 100/143,4 = 0,6974 A

Tensione sul condensatore

VC = I·XC = 0,6974·14,47 = 10,09 V

Risposta

VC = 10,09 V

ExamProblems · examproblems.com/courses/physics-2-electricity-and-magnetism