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
++8 µC++4 µCE = 020 cm

Cariche di +8 µC e +4 µC distano 20 cm. A quale distanza x dalla carica di +8 µC, sul segmento che le unisce, il campo elettrico è nullo?

q1 = +8 µCq2 = +4 µCd = 20 cm
x = cm
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
L = 100 cm8°qq

Due palline identiche, ciascuna di massa 10 g, sono appese allo stesso punto con fili isolanti lunghi 100 cm. Ricevono cariche uguali e ogni filo si assesta a 8° dalla verticale. Usa g = 9,81 m/s². Trova la carica q su ciascuna pallina in nC. Usa k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².

m = 10 gL = 100 cmθ = 8°g = 9,81 m/s²
q = nC
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 6 ΩIR1​R3​ = 2 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩAR4​12 ΩB

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

V1 = 15 VR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 2 ΩR4 = 12 Ω
IR1 = A
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 6 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​18 VR2​12 ΩAR4​2 ΩBR6​20 Ω

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 18 VR1 = 6 ΩR2 = 12 ΩR3 = 10 ΩR4 = 2 ΩR5 = 5 ΩR6 = 20 Ω
Req = Ω
5.Transitori RC e RLMedia
R = 100 Ωt = 0L47 mHi(t)

L’induttore porta una corrente stazionaria di 1 A. A t = 0 l’interruttore chiude la maglia attraverso R e il generatore viene escluso, quindi la corrente dell’induttore decresce attraverso R. Quanto tempo serve perché la corrente scenda a 0,2 A? Trova t.

i(0) = 1 AR = 100 ΩL = 47 mH
t = ms
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​24 Vt = 0R = 6,8 kΩC100 µF+−vC​vC​(0) = 30 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 30 V con la polarità indicata. Trova la tensione del condensatore vC in t = 400 ms.

Vs = 24 VR = 6,8 kΩC = 100 µFvC(0) = 30 Vt = 400 ms
vC = V
7.Campi magnetici e induzioneMedia
nBA = 40 cm², N = 10B = 0,3 T

Una bobina di 10 spire ha un’area di 40 cm². La bobina viene capovolta (ruotata di 180°) in 50 ms in un campo uniforme di 0,3 T, perpendicolare al suo piano. Trova la f.e.m. indotta media ε.

N = 10A = 40 cm²B = 0,3 TΔt = 50 ms
ε = mV
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
V = 2000 VB = 0,8 Tr = ?

Un deutone parte da fermo, viene accelerato attraverso una differenza di potenziale di 2000 V e poi entra ad angolo retto in un campo magnetico uniforme di 0,8 T. Trova il raggio r della sua traiettoria nel campo.

m = 3,344 × 10⁻²⁷ kg|q| = 1,602 × 10⁻¹⁹ CV = 2000 VB = 0,8 T
r = cm
9.Impedenza AC e fasoriMedia
50 V200 HzR = 80 ΩC = 22 µFI

Un resistore e un condensatore sono collegati in parallelo a un’alimentazione da 50 V (efficaci), 200 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 = 200 HzR = 80 ΩC = 22 µF
φ = °
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
10 Vf0​R = 50 ΩL = 100 mHC = 1 µF

Un circuito RLC serie è alimentato da un generatore da 10 V (efficaci) la cui frequenza è regolata sulla frequenza di risonanza del circuito. Trova la tensione efficace VL ai capi dell’induttore.

V = 10 V (rms)R = 50 ΩL = 100 mHC = 1 µF
VL = V

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: x = 11,72 cm

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.

Campi uguali

8/x² = 4/(20 − x)²
(20 − x)/x = √(4/8) = 0,7071

Posizione

x = 20/(1 + 0,7071) = 11,72 cm

Risposta

x = 11,72 cm

Il punto di campo nullo è sempre più vicino alla carica minore.

2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: q = 344,7 nC

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.

Forza elettrica dall’equilibrio

La parte orizzontale della tensione equilibra F, la parte verticale equilibra m·g.

F = m·g·tan θ = 0,01·9,81·tan 8° = 0,01379 N

Distanza

r = 2·L·sin θ = 2·1·sin 8° = 0,2783 m

Carica

F = k·q²/r² → q = r·√(F/k) = 0,2783·√(0,01379/8,99 × 10⁹) = 3,447 × 10⁻⁷ C = 344,7 nC

Risposta

q = 344,7 nC
3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR1 = 1,352 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​ = 6 ΩR3​ = 2 Ω+−V1​15 VR2​8 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 = 8·14/(8+14) = 5,091 Ω
Req = R1 + 5,091 = 6 + 5,091 = 11,09 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 = 15/11,09 = 1,352 A

Risposta

IR1 = 1,352 A
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 11,96 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​ = 6 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​18 VR2​12 ΩAR4​2 ΩBR6​20 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 = 5 + 20 = 25 Ω
R4 ∥ 25 = 1,852 Ω
R3 + 1,852 = 11,85 Ω
R2 ∥ 11,85 = 5,963 Ω
Req = R1 + 5,963 = 6 + 5,963 = 11,96 Ω

Risposta

Req = 11,96 Ω
5.Transitori RC e RL

Risposta: t = 0,7564 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.

Costante di tempo

τ = L/R = 47 mH / 100 Ω = 0,47 ms

Risolvi per il tempo

0,2 = 1·e−t/τ → t = τ·ln(1/0,2)
t = 0,47·ln(5) = 0,7564 ms

Risposta

t = 0,7564 ms
6.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 27,33 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.

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) = 30 V, vC(∞) = Vs = 24 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 100 µF = 680 ms
vC(t) = 24 + (30 − 24)·e−t/τ

Tensione all’istante dato

vC(400) = 24 + (6)·e−400/680 = 27,33 V

Risposta

vC = 27,33 V
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: ε = 480 mV

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 = 2·0,3·0,004 = 0,0024 Wb

F.e.m. media

ε = NΔΦ/Δt = 10·0,0024/0,05 = 0,48 V

Risposta

ε = 480 mV
8.Campi magnetici e induzione

Risposta: r = 1,142 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 × 10⁻¹⁹·2000/(3,344 × 10⁻²⁷)) = 437752 m/s

Raggio nel campo

r = mv/(|q|B) = 0,01142 m = 1,142 cm

Risposta

r = 1,142 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: φ = −65,67 °

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|.

Reattanza

XC = 1/(ωC) = 1/(2π·200·22·10⁻⁶) = 36,17 Ω

Correnti di ramo

Entrambi i rami sono collegati direttamente all’alimentazione, quindi ognuno vede l’intera tensione V.

IR = V/R = 50/80 = 0,625 A
IX = V/XC = 50/36,17 = 1,382 A

Corrente totale

La corrente nel resistore è in fase con V e la corrente reattiva è sfasata di 90°, quindi si sommano come i cateti di un triangolo rettangolo.

I = √(IR² + IX²) = √(0,625² + 1,382²) = 1,517 A

Angolo di fase

La corrente nel condensatore è in anticipo su V, quindi la corrente totale è in anticipo e l’angolo è negativo.

φ = −arctan(IX/IR) = −arctan(1,382/0,625) = −65,67°

Risposta

φ = −65,67°
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: VL = 63,25 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/√(0,1·1·10⁻⁶) = 3162 rad/s
I = V/R = 10/50 = 0,2 A

Tensione ai capi dell’induttore

XL = ω₀L = 3162·0,1 = 316,2 Ω
VL = I·XL = 0,2·316,2 = 63,25 V

Risposta

VL = 63,25 V

Questo è Q = 6,325 volte la tensione di alimentazione.

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