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
++3 µC−−4 µCP40 cm

Una carica di +3 µC e una carica di −4 µC si trovano a 40 cm di distanza. Il punto P si trova sulla congiungente, tra le due cariche, a 24 cm dalla prima. Trova il modulo del campo elettrico E in P.

q1 = +3 µCq2 = −4 µCr1 = 24 cmr2 = 16 cm
E = N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
10 cm3 cm+q1​ = +3 µC+q3​ = +3 µC+q2​ = +5 µC

Tre cariche puntiformi positive si trovano ai vertici di un triangolo rettangolo: q₃ = 3 µC è nel vertice dell’angolo retto, q₁ = 3 µC si trova a 10 cm da essa lungo un cateto e q₂ = 5 µC a 3 cm da essa lungo l’altro cateto. Trova il modulo della forza elettrica risultante F su q₃.

q1 = 3 µCq2 = 5 µCq3 = 3 µCr13 = 10 cmr23 = 3 cm
F = N
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 10 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩIR2​AR4​12 ΩB

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 24 VR1 = 10 ΩR2 = 20 ΩR3 = 2 ΩR4 = 12 Ω
IR2 = A
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 5 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩIR2​AR4​15 ΩBR6​10 Ω

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 9 VR1 = 5 ΩR2 = 12 ΩR3 = 10 ΩR4 = 15 ΩR5 = 25 ΩR6 = 10 Ω
IR2 = A
5.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​15 Vt = 0R1​ = 6,8 kΩR2​ = 4,7 kΩC220 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 tensione del condensatore vC in t = 500 ms.

Vs = 15 VR1 = 6,8 kΩR2 = 4,7 kΩC = 220 µFt = 500 ms
vC = V
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​24 Vt = 0R = 10 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 20 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 20 V con la polarità indicata. Quanto tempo serve perché vC raggiunga 22,4 V? Trova t.

Vs = 24 VR = 10 kΩC = 100 µFvC(0) = 20 V
t = ms
7.Campi magnetici e induzioneMedia
nBA = 100 cm², N = 50B: 0,05 → 0,65 T

Una bobina di 50 spire ha un’area di 100 cm². Un campo uniforme perpendicolare alla bobina sale in modo costante da 0,05 T a 0,65 T in 100 ms. Trova la f.e.m. indotta media ε.

N = 50A = 100 cm²B: 0,05 T → 0,65 TΔt = 100 ms
ε = V
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
E = 2 × 10⁴ V/m, B1​ = 0,5 T

In un selettore di velocità, campi incrociati E = 2 × 10⁴ V/m e B = 0,5 T lasciano passare in linea retta solo gli ioni di una certa velocità. Trova quella velocità v.

E = 2 × 10⁴ V/mB1 = 0,5 T
v = m/s
9.Impedenza AC e fasoriMedia
12 V100 HzR = 40 ΩL = 200 mHC = 10 µF

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 12 V (efficaci), 100 Hz. Trova l’angolo di fase φ dell’impedenza, in gradi (positivo quando la corrente è in ritardo sulla tensione).

V = 12 V (rms)f = 100 HzR = 40 ΩL = 200 mHC = 10 µF
φ = °
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
5 Vf0​R = 15 ΩL = 50 mHC = 4,7 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 = 15 ΩL = 50 mHC = 4,7 µF
VL = V

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 1,873 × 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·3 × 10⁻⁶/0,24² = 468229 N/C
E2 = k·4 × 10⁻⁶/0,16² = 1,405 × 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 = |468229 + 1,405 × 10⁶| = 1,873 × 10⁶ N/C

Risposta

E = 1,873 × 10⁶ N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: F = 150,1 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·3·3 × 10⁻¹²/0,1² = 8,091 N
F2 = k·5·3 × 10⁻¹²/0,03² = 149,8 N

Somma vettoriale

F = √(8,091² + 149,8²) = 150,1 N

Risposta

F = 150,1 N
3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 0,5419 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​ = 10 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​24 VR2​20 ΩAR4​12 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 = 2 + 12 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 20·14/(20+14) = 8,235 Ω
Req = R1 + 8,235 = 10 + 8,235 = 18,24 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 = 24/18,24 = 1,316 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 − 1,316·10 = 10,84 V
IR2 = VA/R2 = 10,84/20 = 0,5419 A

Risposta

IR2 = 0,5419 A
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 0,4517 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​ = 10 ΩR5​ = 25 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAR4​15 ΩBR6​10 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 = 25 + 10 = 35 Ω
R4 ∥ 35 = 10,5 Ω
R3 + 10,5 = 20,5 Ω
R2 ∥ 20,5 = 7,569 Ω
Req = R1 + 7,569 = 5 + 7,569 = 12,57 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 = 9/12,57 = 0,716 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 = 9 − 0,716·5 = 5,42 V
IR2 = VA/R2 = 5,42/12 = 0,4517 A

Risposta

IR2 = 0,4517 A
5.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 3,424 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.

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 = 6,8·4,7/(6,8 + 4,7) = 2,779 kΩ
vC(∞) = 15·4,7/(6,8 + 4,7) = 6,13 V

Costante di tempo

τ = Rth·C = 2,779·220 = 611,4 ms

Curva di carica

vC(t) = 6,13·(1 − e−500/611,4) = 3,424 V

Risposta

vC = 3,424 V
6.Transitori RC e RL

Risposta: t = 916,3 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) = 20 V, vC(∞) = Vs = 24 V
τ = R·C = 10 kΩ · 100 µF = 1000 ms
vC(t) = 24 + (20 − 24)·e−t/τ

Risolvi per il tempo

22,4 = 24 + (−4)·e−t/τ → e−t/τ = (22,4 − 24)/(20 − 24) = 0,4
t = τ·ln((20 − 24)/(22,4 − 24)) = 1000·ln(2,5) = 916,3 ms

Risposta

t = 916,3 ms
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: ε = 3 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 = (0,65 − 0,05)·0,01 = 0,006 Wb

F.e.m. media

ε = NΔΦ/Δt = 50·0,006/0,1 = 3 V

Risposta

ε = 3 V
8.Campi magnetici e induzione

Risposta: v = 40000 m/s

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 selezionata

Senza deviazione: la forza elettrica qE bilancia la forza magnetica qvB.

v = E/B1 = 2 × 10⁴/0,5 = 40000 m/s

Risposta

v = 40000 m/s
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: φ = −39,94 °

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·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,2 = 125,7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·10·10⁻⁶) = 159,2 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (−33,49)²) = 52,17 Ω

Angolo di fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−33,49/40) = −39,94°

Risposta

φ = −39,94°
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: VL = 34,38 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/√(0,05·4,7·10⁻⁶) = 2063 rad/s
I = V/R = 5/15 = 0,3333 A

Tensione ai capi dell’induttore

XL = ω₀L = 2063·0,05 = 103,1 Ω
VL = I·XL = 0,3333·103,1 = 34,38 V

Risposta

VL = 34,38 V

Questo è Q = 6,876 volte la tensione di alimentazione.

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