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++3 µCP60 cm

Una carica di +10 µC e una carica di +3 µC si trovano a 60 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 = +10 µCq2 = +3 µCr1 = 24 cmr2 = 36 cm
E = N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
+−P2 × 4 cm3 cm+6 µC−6 µC

Cariche di +6 µC e −6 µC distano 8 cm. Il punto P si trova a 3 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 = +6 µCq2 = −6 µCd = 8 cmh = 3 cm
E = N/C
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 3 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​3 ΩIR2​AR4​5 ΩB

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 18 VR1 = 3 ΩR2 = 3 ΩR3 = 12 ΩR4 = 5 Ω
IR2 = A
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 15 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAR4​5 ΩBR6​10 Ω

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 9 VR1 = 15 ΩR2 = 4 ΩR3 = 25 ΩR4 = 5 ΩR5 = 2 ΩR6 = 10 Ω
Req = Ω
5.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​15 Vt = 0R = 20 ΩL68 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 = 15 VR = 20 ΩL = 68 mH
W(∞) = mJ
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​24 Vt = 0R = 6,8 kΩC22 µF+−vC​vC​(0) = 12 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 12 V con la polarità indicata. Quanto tempo serve perché vC raggiunga 16,8 V? Trova t.

Vs = 24 VR = 6,8 kΩC = 22 µFvC(0) = 12 V
t = ms
7.Campi magnetici e induzioneMedia
nBA = 50 cm², N = 10B: 0,2 → 1 T

Una bobina di 10 spire, area 50 cm² e resistenza 2 Ω forma un circuito chiuso. Un campo uniforme perpendicolare alla bobina sale in modo costante da 0,2 T a 1 T in 200 ms. Trova la corrente indotta media I.

N = 10A = 50 cm²B: 0,2 T → 1 TΔt = 200 msR = 2 Ω
I = mA
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
l = 30 cmN = 500, ⌀ 5 cm

Un solenoide lungo con nucleo d’aria ha 500 spire, una lunghezza di 30 cm e un diametro di 5 cm. Trova la sua autoinduttanza L.

N = 500l = 30 cm⌀ = 5 cmμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
L = mH
9.Impedenza AC e fasoriMedia
230 V200 HzR = 15 ΩL = 100 mHC = 100 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 230 V (efficaci), 200 Hz. Trova la potenza attiva P assorbita dall’alimentazione.

V = 230 V (rms)f = 200 HzR = 15 ΩL = 100 mHC = 100 µF
P = W
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
230 V200 HzR1​ = 30 ΩR2​ = 150 ΩC = 10 µF

Un resistore R1 è collegato in serie a un parallelo tra R2 e un condensatore C, a un’alimentazione da 230 V (efficaci), 200 Hz. Trova il modulo dell’impedenza |Z|.

V = 230 V (rms)f = 200 HzR1 = 30 ΩR2 = 150 ΩC = 10 µF
|Z| = Ω

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 1,353 × 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·10 × 10⁻⁶/0,24² = 1,561 × 10⁶ N/C
E2 = k·3 × 10⁻⁶/0,36² = 208102 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 = |1,561 × 10⁶ − 208102| = 1,353 × 10⁶ N/C

Risposta

E = 1,353 × 10⁶ N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 3,452 × 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 = √(4² + 3²) = 5 cm
E1 = k·6 × 10⁻⁶/0,05² = 2,158 × 10⁷ N/C

Componenti

Le componenti lungo l’asse si annullano.

E = 2·E1·(a/r) = 2·2,158 × 10⁷·0,8 = 3,452 × 10⁷ N/C

Risposta

E = 3,452 × 10⁷ N/C

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

3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 2,757 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​ = 3 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​3 ΩAR4​5 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 = 12 + 5 = 17 Ω
R2 ∥ 17 = 3·17/(3+17) = 2,55 Ω
Req = R1 + 2,55 = 3 + 2,55 = 5,55 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 = 18/5,55 = 3,243 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 = 18 − 3,243·3 = 8,27 V
IR2 = VA/R2 = 8,27/3 = 2,757 A

Risposta

IR2 = 2,757 A
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 18,51 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​ = 15 ΩR3​ = 25 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​4 ΩAR4​5 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 = 2 + 10 = 12 Ω
R4 ∥ 12 = 3,529 Ω
R3 + 3,529 = 28,53 Ω
R2 ∥ 28,53 = 3,508 Ω
Req = R1 + 3,508 = 15 + 3,508 = 18,51 Ω

Risposta

Req = 18,51 Ω
5.Transitori RC e RL

Risposta: W(∞) = 19,13 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 = 68 mH / 20 Ω = 3,4 ms
i(∞) = Vs/R = 15/20 = 0,75 A

Energia immagazzinata

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·68·0,75² = 19,13 mJ

Risposta

W(∞) = 19,13 mJ
6.Transitori RC e RL

Risposta: t = 76,42 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) = 12 V, vC(∞) = Vs = 24 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 22 µF = 149,6 ms
vC(t) = 24 + (12 − 24)·e−t/τ

Risolvi per il tempo

16,8 = 24 + (−12)·e−t/τ → e−t/τ = (16,8 − 24)/(12 − 24) = 0,6
t = τ·ln((12 − 24)/(16,8 − 24)) = 149,6·ln(1,667) = 76,42 ms

Risposta

t = 76,42 ms
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: I = 100 mA

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 = (1 − 0,2)·0,005 = 0,004 Wb

F.e.m. media

ε = NΔΦ/Δt = 10·0,004/0,2 = 0,2 V

Corrente

I = ε/R = 0,2/2 = 0,1 A

Risposta

I = 100 mA
8.Campi magnetici e induzione

Risposta: L = 2,056 mH

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·(0,025)² = 0,001963 m²

Autoinduttanza

L = μ₀N²A/l = 4π × 10⁻⁷·500²·0,001963/0,3 = 0,002056 H = 2,056 mH

Risposta

L = 2,056 mH
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: P = 56,36 W

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

XL = 125,7 Ω, XC = 7,958 Ω

Impedenza

|Z| = √(15² + (117,7)²) = 118,7 Ω

Potenza attiva

Induttori e condensatori si limitano ad accumulare e restituire energia; il resistore assorbe tutta la potenza attiva.

I = 230/118,7 = 1,938 A
P = I²·R = 1,938²·15 = 56,36 W

Risposta

P = 56,36 W
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: |Z| = 88,42 Ω

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·200·10·10⁻⁶) = 79,58 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 = 32,94 − j62,1 Ω

Impedenza totale

Z = 30 + 32,94 − j62,1 = 62,94 − j62,1 Ω
|Z| = √(62,94² + 62,1²) = 88,42 Ω

Risposta

|Z| = 88,42 Ω

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