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
++10 µC++10 µCP20 cm

Una carica di +10 µC e una carica di +10 µC si trovano a 20 cm di distanza. Il punto P si trova sulla congiungente, tra le due cariche, a 5 cm dalla prima. Trova il modulo del campo elettrico E in P.

q1 = +10 µCq2 = +10 µCr1 = 5 cmr2 = 15 cm
E = N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
L = 40 cm8°qq

Due palline identiche, ciascuna di massa 8 g, sono appese allo stesso punto con fili isolanti lunghi 40 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. Use k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².

m = 8 gL = 40 cmθ = 8°g = 9,81 m/s²
q = nC
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 5 ΩR3​ = 4 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩIR2​AR4​4 ΩB

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 9 VR1 = 5 ΩR2 = 20 ΩR3 = 4 ΩR4 = 4 Ω
IR2 = A
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 12 ΩIR1​R3​ = 12 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​30 ΩAR4​5 ΩBR6​6 Ω

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

V1 = 18 VR1 = 12 ΩR2 = 30 ΩR3 = 12 ΩR4 = 5 ΩR5 = 12 ΩR6 = 6 Ω
IR1 = A
5.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​9 Vt = 0R = 50 ΩL33 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 = 9 VR = 50 ΩL = 33 mH
W(∞) = mJ
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​5 Vt = 0R = ?C100 µF+−vC​

Un temporizzatore inizia a caricare un condensatore scarico attraverso un resistore da un’alimentazione di 5 V a t = 0. Deve scattare quando la tensione del condensatore raggiunge 3 V, esattamente 500 ms dopo l’avvio. Con C = 100 µF, trova la resistenza R necessaria.

Vs = 5 VVth = 3 VT = 500 msC = 100 µF
R = kΩ
7.Campi magnetici e induzioneMedia
−vBF = ?

Un elettrone si muove verso l’alto in un campo magnetico uniforme orientato verso l’esterno della pagina. Clicca il verso della forza magnetica su di esso.

v: verso l’altoB: verso l’esterno della pagina
  1. 1verso l’alto
  2. 2verso destra
  3. 3verso il basso
  4. 4verso sinistra
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
Bn = ?10 cm × 5 cmN = 500B = 0,2 T

Una bobina di 500 spire, 10 cm × 5 cm, ruota in un campo uniforme di 0,2 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 55,54 V?

N = 500A = 10 cm × 5 cmB = 0,2 TErms = 55,54 V
n = rpm
9.Impedenza AC e fasoriMedia
100 V60 HzR = 100 ΩL = 150 mHC = 22 µF

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 100 V (efficaci), 60 Hz. Trova l’angolo di fase φ dell’impedenza, in gradi (positivo quando la corrente è in ritardo sulla tensione).

V = 100 V (rms)f = 60 HzR = 100 ΩL = 150 mHC = 22 µF
φ = °
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
50 V60 HzR1​ = 40 ΩR2​ = 60 ΩC = 47 µFI

Un resistore R1 è collegato in serie a un parallelo tra R2 e un condensatore C, a un’alimentazione da 50 V (efficaci), 60 Hz. Trova la corrente efficace I.

V = 50 V (rms)f = 60 HzR1 = 40 ΩR2 = 60 ΩC = 47 µF
I = A

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 3,196 × 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·10 × 10⁻⁶/0,05² = 3,596 × 10⁷ N/C
E2 = k·10 × 10⁻⁶/0,15² = 3,996 × 10⁶ N/C

Versi e somma

Entrambe le cariche sono positive: in P ciascun campo è diretto lontano dalla propria carica, quindi i due hanno versi opposti.

E = |3,596 × 10⁷ − 3,996 × 10⁶| = 3,196 × 10⁷ N/C

Risposta

E = 3,196 × 10⁷ N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: q = 123,3 nC

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 elettrica dall’equilibrio

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

F = m·g·tan θ = 0,008·9,81·tan 8° = 0,01103 N

Distanza

r = 2·L·sin θ = 2·0,4·sin 8° = 0,1113 m

Carica

F = k·q²/r² → q = r·√(F/k) = 0,1113·√(0,01103/8,99 × 10⁹) = 1,233 × 10⁻⁷ C = 123,3 nC

Risposta

q = 123,3 nC
3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 0,24 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​ = 4 Ω+−V1​9 VR2​20 ΩAR4​4 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 + 4 = 8 Ω
R2 ∥ 8 = 20·8/(20+8) = 5,714 Ω
Req = R1 + 5,714 = 5 + 5,714 = 10,71 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 = 9/10,71 = 0,84 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 − 0,84·5 = 4,8 V
IR2 = VA/R2 = 4,8/20 = 0,24 A

Risposta

IR2 = 0,24 A
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR1 = 0,8037 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​ = 12 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​30 ΩAR4​5 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 = 12 + 6 = 18 Ω
R4 ∥ 18 = 3,913 Ω
R3 + 3,913 = 15,91 Ω
R2 ∥ 15,91 = 10,4 Ω
Req = R1 + 10,4 = 12 + 10,4 = 22,4 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 = 18/22,4 = 0,8037 A

Risposta

IR1 = 0,8037 A
5.Transitori RC e RL

Risposta: W(∞) = 0,5346 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 = 33 mH / 50 Ω = 0,66 ms
i(∞) = Vs/R = 9/50 = 0,18 A

Energia immagazzinata

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·33·0,18² = 0,5346 mJ

Risposta

W(∞) = 0,5346 mJ
6.Transitori RC e RL

Risposta: R = 5,457 kΩ

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 richiesta

3 = 5·(1 − e−500/τ) → τ = 500/ln(5/(5 − 3))
τ = 500/0,9163 = 545,7 ms

Resistenza

kΩ per µF dà millisecondi.

R = τ/C = 545,7/100 = 5,457 kΩ

Risposta

R = 5,457 kΩ
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.

v: verso l’alto, B: verso l’esterno della pagina

Carica negativa

La forza su un elettrone è opposta a quella su una carica positiva.

Verso della forza

verso sinistra

Risposta

F: verso sinistra
8.Campi magnetici e induzione

Risposta: n = 1500 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 = 78,55 V

Velocità angolare

ω = E₀/(NBA) = 78,55/(500·0,2·0,005) = 157,1 rad/s

Giri al minuto

n = 60·157,1/(2π) = 1500 rpm

Risposta

n = 1500 rpm
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: φ = −32,63 °

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) = √(100² + (−64,02)²) = 118,7 Ω

Angolo di fase

φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(−64,02/100) = −32,63°

Risposta

φ = −32,63°
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 0,6716 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|.

Reattanza

XC = 1/(2π·60·47·10⁻⁶) = 56,44 Ω

Combinazione in parallelo

Moltiplica numeratore e denominatore per il complesso coniugato per separare Zp in parte reale e parte immaginaria.

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 28,17 − j29,94 Ω

Impedenza totale

Z = 40 + 28,17 − j29,94 = 68,17 − j29,94 Ω
|Z| = √(68,17² + 29,94²) = 74,45 Ω

Corrente

I = V/|Z| = 50/74,45 = 0,6716 A

Risposta

I = 0,6716 A

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