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−−1 µC++1 µC8 cm + 12 cm

Tre cariche puntiformi giacciono su una retta: +3 µC a sinistra, +1 µC a destra a 20 cm di distanza, e −1 µC tra loro, a 8 cm dalla carica di sinistra. Trova il modulo della forza elettrica risultante F sulla carica centrale. Use k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².

qL = +3 µCqR = +1 µCqM = −1 µCrL = 8 cmrR = 12 cm
F = N
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
4 cm6 cm+q1​ = +8 µC+q3​ = +8 µC+q2​ = +8 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 4 cm da essa lungo un cateto e q₂ = 8 µC a 6 cm da essa lungo l’altro cateto. Trova il modulo della forza elettrica risultante F su q₃.

q1 = 8 µCq2 = 8 µCq3 = 8 µCr13 = 4 cmr23 = 6 cm
F = N
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 15 ΩIR1​R3​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩAR4​6 ΩB

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

V1 = 6 VR1 = 15 ΩR2 = 6 ΩR3 = 5 ΩR4 = 6 Ω
IR1 = A
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 15 ΩR3​ = 20 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩIR2​AR4​12 ΩBR6​6 Ω

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 15 VR1 = 15 ΩR2 = 6 ΩR3 = 20 ΩR4 = 12 ΩR5 = 20 ΩR6 = 6 Ω
IR2 = A
5.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​10 Vt = 0R1​ = 1 kΩR2​ = 4,7 kΩC100 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 costante di tempo τ del circuito dopo la chiusura dell’interruttore.

Vs = 10 VR1 = 1 kΩR2 = 4,7 kΩC = 100 µF
τ = ms
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​10 Vt = 0R = 6,8 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 13 V? Trova t.

Vs = 10 VR = 6,8 kΩC = 100 µFvC(0) = 20 V
t = ms
7.Campi magnetici e induzioneMedia
+v = 2 × 10⁵ m/sr = ?B = 0,2 T

Una particella alfa si muove a 2 × 10⁵ m/s perpendicolarmente a un campo magnetico uniforme di 0,2 T. Trova il raggio r della sua traiettoria circolare.

m = 6,645 × 10⁻²⁷ kg|q| = 3,204 × 10⁻¹⁹ Cv = 2 × 10⁵ m/sB = 0,2 T
r = cm
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
Bn = 1800 rpm12 cm × 5 cmN = 500B = 0,1 T

Una bobina di 500 spire, 12 cm × 5 cm, ruota a 1800 giri/min in un campo uniforme di 0,1 T attorno a un asse perpendicolare al campo. Trova il valore efficace Erms della f.e.m.

N = 500A = 12 cm × 5 cmB = 0,1 Tn = 1800 rpm
Erms = V
9.Impedenza AC e fasoriMedia
50 V100 HzR = 30 ΩL = 100 mHC = 22 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 50 V (efficaci), 100 Hz. Trova la corrente efficace I.

V = 50 V (rms)f = 100 HzR = 30 ΩL = 100 mHC = 22 µF
I = A
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
12 V60 HzR = 100 ΩL = 100 mHC = 4,7 µF

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 12 V (efficaci), 60 Hz. Trova la frequenza di risonanza f0 del circuito.

V = 12 V (rms)f = 60 HzR = 100 ΩL = 100 mHC = 4,7 µF
f0 = Hz

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: F = 3,59 N

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.

Forza di ciascuna carica

Il verso verso destra è positivo.

FL = −k·3·1 × 10⁻¹²/0,08² = −4,214 N
FR = +k·1·1 × 10⁻¹²/0,12² = 0,6243 N

Forza risultante

F = −4,214 + (0,6243) = −3,59 N → |F| = 3,59 N

Risposta

F = 3,59 N

La forza risultante è diretta verso sinistra.

2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: F = 393,5 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 × 10⁻¹²/0,04² = 359,6 N
F2 = k·8·8 × 10⁻¹²/0,06² = 159,8 N

Somma vettoriale

F = √(359,6² + 159,8²) = 393,5 N

Risposta

F = 393,5 N
3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR1 = 0,3178 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​ = 5 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩAR4​6 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 = 5 + 6 = 11 Ω
R2 ∥ 11 = 6·11/(6+11) = 3,882 Ω
Req = R1 + 3,882 = 15 + 3,882 = 18,88 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 = 6/18,88 = 0,3178 A

Risposta

IR1 = 0,3178 A
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 0,6201 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​ = 20 ΩR5​ = 20 Ω+−V1​15 VR2​6 ΩAR4​12 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 = 8,211 Ω
R3 + 8,211 = 28,21 Ω
R2 ∥ 28,21 = 4,948 Ω
Req = R1 + 4,948 = 15 + 4,948 = 19,95 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 = 15/19,95 = 0,752 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 = 15 − 0,752·15 = 3,72 V
IR2 = VA/R2 = 3,72/6 = 0,6201 A

Risposta

IR2 = 0,6201 A
5.Transitori RC e RL

Risposta: τ = 82,46 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.

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 = 1·4,7/(1 + 4,7) = 0,8246 kΩ
vC(∞) = 10·4,7/(1 + 4,7) = 8,246 V

Costante di tempo

τ = Rth·C = 0,8246·100 = 82,46 ms

Risposta

τ = 82,46 ms
6.Transitori RC e RL

Risposta: t = 818,7 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 = 10 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 100 µF = 680 ms
vC(t) = 10 + (20 − 10)·e−t/τ

Risolvi per il tempo

13 = 10 + (10)·e−t/τ → e−t/τ = (13 − 10)/(20 − 10) = 0,3
t = τ·ln((20 − 10)/(13 − 10)) = 680·ln(3,333) = 818,7 ms

Risposta

t = 818,7 ms
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: r = 2,074 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).

Equilibrio delle forze

La forza magnetica è sempre perpendicolare alla velocità, quindi incurva la traiettoria in una circonferenza.

|q|vB = mv²/r → r = mv/(|q|B)

Raggio

r = 6,645 × 10⁻²⁷·2 × 10⁵/(3,204 × 10⁻¹⁹·0,2) = 0,02074 m = 2,074 cm

Risposta

r = 2,074 cm
8.Campi magnetici e induzione

Risposta: Erms = 39,99 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·1800/60 = 188,5 rad/s
A = 0,006 m²

F.e.m. di picco

E₀ = NBAω = 500·0,1·0,006·188,5 = 56,55 V

Valore efficace

Erms = 56,55/√2 = 39,99 V

Risposta

Erms = 39,99 V
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 1,589 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·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,1 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·22·10⁻⁶) = 72,34 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(30² + (−9,511)²) = 31,47 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 50/31,47 = 1,589 A

Risposta

I = 1,589 A
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: f0 = 232,2 Hz

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 induttiva e capacitiva si annullano: ωL = 1/(ωC). La frequenza di alimentazione non conta.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,1·4,7·10⁻⁶)) = 232,2 Hz

Risposta

f0 = 232,2 Hz

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