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
++5 µC++10 µCP20 cm

Una carica di +5 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 10 cm dalla prima. Trova il modulo del campo elettrico E in P.

q1 = +5 µCq2 = +10 µCr1 = 10 cmr2 = 10 cm
E = N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
+−P2 × 3 cm6 cm+8 µC−8 µC

Cariche di +8 µC e −8 µC distano 6 cm. Il punto P si trova a 6 cm dal punto medio tra di esse, sull’asse del segmento. Trova il modulo del campo elettrico E in P. Use k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².

q1 = +8 µCq2 = −8 µCd = 6 cmh = 6 cm
E = N/C
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 10 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAR4​10 ΩB

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 12 ΩR3 = 20 ΩR4 = 10 Ω
Req = Ω
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 10 ΩR3​ = 10 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩIR2​AR4​30 ΩBR6​12 Ω

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 5 ΩR3 = 10 ΩR4 = 30 ΩR5 = 12 ΩR6 = 12 Ω
IR2 = A
5.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​20 Vt = 0R1​ = 6,8 kΩR2​ = 2,2 kΩC10 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 = 20 VR1 = 6,8 kΩR2 = 2,2 kΩC = 10 µF
τ = ms
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​12 Vt = 0R = ?C22 µF+−vC​

Un temporizzatore inizia a caricare un condensatore scarico attraverso un resistore da un’alimentazione di 12 V a t = 0. Deve scattare quando la tensione del condensatore raggiunge 9 V, esattamente 250 ms dopo l’avvio. Con C = 22 µF, trova la resistenza R necessaria.

Vs = 12 VVth = 9 VT = 250 msC = 22 µF
R = kΩ
7.Campi magnetici e induzioneMedia
+v = 5 × 10⁵ m/sr = 2,074 cmB = ?

Una particella alfa che si muove a 5 × 10⁵ m/s entra in un campo magnetico uniforme ad angolo retto e descrive una circonferenza di raggio 2,074 cm. Trova la densità di flusso magnetico B.

m = 6,645 × 10⁻²⁷ kg|q| = 3,204 × 10⁻¹⁹ Cv = 5 × 10⁵ m/sr = 2,074 cm
B = T
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
l = 40 cmN = 200, ⌀ 3 cm

Un solenoide lungo con nucleo d’aria ha 200 spire, una lunghezza di 40 cm e un diametro di 3 cm. Trova la sua autoinduttanza L.

N = 200l = 40 cm⌀ = 3 cmμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
L = µH
9.Impedenza AC e fasoriMedia
Vf0​ = 500 HzRL = ?C = 0,1 µF

Un circuito RLC serie con C = 0,1 µF deve entrare in risonanza a 500 Hz. Trova l’induttanza L necessaria.

f0 = 500 HzC = 0,1 µF
L = mH
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
1 Vf0​R = 50 ΩL = 20 mHC = 1 µF

Un circuito RLC serie è alimentato da un generatore da 1 V (efficaci) la cui frequenza è regolata sulla frequenza di risonanza del circuito. Trova la tensione efficace VL ai capi dell’induttore.

V = 1 V (rms)R = 50 ΩL = 20 mHC = 1 µF
VL = V

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 4,495 × 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·5 × 10⁻⁶/0,1² = 4,495 × 10⁶ N/C
E2 = k·10 × 10⁻⁶/0,1² = 8,99 × 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 = |4,495 × 10⁶ − 8,99 × 10⁶| = 4,495 × 10⁶ N/C

Risposta

E = 4,495 × 10⁶ N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 1,429 × 10⁷ N/C

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.

Distanza e campo di una carica

r = √(3² + 6²) = 6,708 cm
E1 = k·8 × 10⁻⁶/0,06708² = 1,598 × 10⁷ N/C

Componenti

Le componenti lungo l’asse si annullano.

E = 2·E1·(a/r) = 2·1,598 × 10⁷·0,4472 = 1,429 × 10⁷ N/C

Risposta

E = 1,429 × 10⁷ N/C

Il campo è parallelo alla retta che va dalla carica positiva verso quella negativa.

3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 18,57 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​ = 10 ΩR3​ = 20 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAR4​10 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 = 20 + 10 = 30 Ω
R2 ∥ 30 = 12·30/(12+30) = 8,571 Ω
Req = R1 + 8,571 = 10 + 8,571 = 18,57 Ω

Risposta

Req = 18,57 Ω
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 0,525 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​ = 10 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩAR4​30 ΩBR6​12 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 + 12 = 24 Ω
R4 ∥ 24 = 13,33 Ω
R3 + 13,33 = 23,33 Ω
R2 ∥ 23,33 = 4,118 Ω
Req = R1 + 4,118 = 10 + 4,118 = 14,12 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 = 9/14,12 = 0,6375 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 − 0,6375·10 = 2,625 V
IR2 = VA/R2 = 2,625/5 = 0,525 A

Risposta

IR2 = 0,525 A
5.Transitori RC e RL

Risposta: τ = 16,62 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 = 6,8·2,2/(6,8 + 2,2) = 1,662 kΩ
vC(∞) = 20·2,2/(6,8 + 2,2) = 4,889 V

Costante di tempo

τ = Rth·C = 1,662·10 = 16,62 ms

Risposta

τ = 16,62 ms
6.Transitori RC e RL

Risposta: R = 8,197 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

9 = 12·(1 − e−250/τ) → τ = 250/ln(12/(12 − 9))
τ = 250/1,386 = 180,3 ms

Resistenza

kΩ per µF dà millisecondi.

R = τ/C = 180,3/22 = 8,197 kΩ

Risposta

R = 8,197 kΩ
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: B = 0,5 T

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).

Campo dal raggio

B = mv/(|q|r) = 6,645 × 10⁻²⁷·5 × 10⁵/(3,204 × 10⁻¹⁹·0,02074) = 0,5 T

Risposta

B = 0,5 T
8.Campi magnetici e induzione

Risposta: L = 88,83 µH

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).

Sezione trasversale

A = π·(0,015)² = 0,0007069 m²

Autoinduttanza

L = μ₀N²A/l = 4π × 10⁻⁷·200²·0,0007069/0,4 = 8,883 × 10⁻⁵ H = 88,83 µH

Risposta

L = 88,83 µH
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: L = 1013 mH

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|.

Condizione di risonanza

In risonanza le reattanze induttiva e capacitiva si annullano: ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·500 = 3142 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(3142²·0,1·10⁻⁶) = 1013 mH

Risposta

L = 1013 mH
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: VL = 2,828 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/√(0,02·1·10⁻⁶) = 7071 rad/s
I = V/R = 1/50 = 0,02 A

Tensione ai capi dell’induttore

XL = ω₀L = 7071·0,02 = 141,4 Ω
VL = I·XL = 0,02·141,4 = 2,828 V

Risposta

VL = 2,828 V

Questo è Q = 2,828 volte la tensione di alimentazione.

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