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
++6 µC++2 µCP20 cm

Una carica di +6 µC e una carica di +2 µC si trovano a 20 cm di distanza. Il punto P si trova sulla congiungente, tra le due cariche, a 8 cm dalla prima. Trova il modulo del campo elettrico E in P.

q1 = +6 µCq2 = +2 µCr1 = 8 cmr2 = 12 cm
E = N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
4 cm5 cm+q1​ = +10 µC+q3​ = +8 µC+q2​ = +1 µC

Tre cariche puntiformi positive si trovano ai vertici di un triangolo rettangolo: q₃ = 8 µC è nel vertice dell’angolo retto, q₁ = 10 µC si trova a 4 cm da essa lungo un cateto e q₂ = 1 µC a 5 cm da essa lungo l’altro cateto. Trova il modulo della forza elettrica risultante F su q₃.

q1 = 10 µCq2 = 1 µCq3 = 8 µCr13 = 4 cmr23 = 5 cm
F = N
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 6 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​5 ΩIR2​AR4​5 ΩB

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 9 VR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 3 ΩR4 = 5 Ω
IR2 = A
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 10 ΩIR1​R3​ = 8 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩAR4​4 ΩBR6​30 Ω

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

V1 = 18 VR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 8 ΩR4 = 4 ΩR5 = 30 ΩR6 = 30 Ω
IR1 = A
5.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​10 Vt = 0R = 15 ΩL22 mHi(t)

L’induttore non porta corrente prima che l’interruttore si chiuda in t = 0. Trova l’energia W immagazzinata nell’induttore a t = 1 ms, in mJ.

Vs = 10 VR = 15 ΩL = 22 mHt = 1 ms
W = mJ
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​6 VR1​ = 33 ΩR2​ = 10 Ωsi apre a t = 0L220 mHi(t)

L’interruttore in parallelo a R2 è chiuso da molto tempo, quindi la corrente dell’induttore è stazionaria. A t = 0 l’interruttore si apre. Trova la corrente dell’induttore i a t = 5 ms.

Vs = 6 VR1 = 33 ΩR2 = 10 ΩL = 220 mHt = 5 ms
i = A
7.Campi magnetici e induzioneMedia
+v = 2 × 10⁵ m/sr = ?B = 0,5 T

Una particella alfa si muove a 2 × 10⁵ m/s perpendicolarmente a un campo magnetico uniforme di 0,5 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 = 0,5 T
r = cm
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
I = 0,5 Al = 15 cmN = 100, ⌀ 3 cm

Un solenoide lungo con nucleo d’aria ha 100 spire, una lunghezza di 15 cm e un diametro di 3 cm. Trova l’energia W immagazzinata nel suo campo magnetico quando è percorso da 0,5 A.

N = 100l = 15 cm⌀ = 3 cmI = 0,5 Aμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
W = µJ
9.Impedenza AC e fasoriMedia
12 V500 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 4,7 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 12 V (efficaci), 500 Hz. Trova la corrente efficace I.

V = 12 V (rms)f = 500 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 4,7 µF
I = A
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
10 V200 HzR = 15 ΩL = 150 mHC = 100 µF+−VC​

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 10 V (efficaci), 200 Hz. Trova la tensione efficace VC ai capi del condensatore.

V = 10 V (rms)f = 200 HzR = 15 ΩL = 150 mHC = 100 µF
VC = V

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 7,18 × 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·6 × 10⁻⁶/0,08² = 8,428 × 10⁶ N/C
E2 = k·2 × 10⁻⁶/0,12² = 1,249 × 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 = |8,428 × 10⁶ − 1,249 × 10⁶| = 7,18 × 10⁶ N/C

Risposta

E = 7,18 × 10⁶ N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: F = 450,4 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·10·8 × 10⁻¹²/0,04² = 449,5 N
F2 = k·1·8 × 10⁻¹²/0,05² = 28,77 N

Somma vettoriale

F = √(449,5² + 28,77²) = 450,4 N

Risposta

F = 450,4 N
3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 0,6102 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​ = 3 Ω+−V1​9 VR2​5 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 = 3 + 5 = 8 Ω
R2 ∥ 8 = 5·8/(5+8) = 3,077 Ω
Req = R1 + 3,077 = 6 + 3,077 = 9,077 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 = 9/9,077 = 0,9915 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 − 0,9915·6 = 3,051 V
IR2 = VA/R2 = 3,051/5 = 0,6102 A

Risposta

IR2 = 0,6102 A
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR1 = 1,085 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​ = 8 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​18 VR2​15 ΩAR4​4 ΩBR6​30 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 = 30 + 30 = 60 Ω
R4 ∥ 60 = 3,75 Ω
R3 + 3,75 = 11,75 Ω
R2 ∥ 11,75 = 6,589 Ω
Req = R1 + 6,589 = 10 + 6,589 = 16,59 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 = 18/16,59 = 1,085 A

Risposta

IR1 = 1,085 A
5.Transitori RC e RL

Risposta: W = 1,195 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 = 22 mH / 15 Ω = 1,467 ms
i(∞) = Vs/R = 10/15 = 0,6667 A

Corrente all’istante dato

i(t) = 0,6667·(1 − e−1/1,467) = 0,3295 A

Energia immagazzinata

W = ½·L·i² = ½·22·0,3295² = 1,195 mJ

Risposta

W = 1,195 mJ
6.Transitori RC e RL

Risposta: i = 0,1554 A

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

Prima di t = 0 l’interruttore chiuso esclude R₂; dopo, R₁ e R₂ sono entrambi nella maglia.

i(0) = 6/33 = 0,1818 A
i(∞) = 6/(33 + 10) = 0,1395 A
τ = L/R = 220/43 = 5,116 ms
i(t) = 0,1395 + (0,1818 − 0,1395)·e−t/τ

Corrente all’istante dato

i(5) = 0,1395 + (0,04228)·e−5/5,116 = 0,1554 A

Risposta

i = 0,1554 A
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: r = 0,8296 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 × 10⁻¹⁹·0,5) = 0,008296 m = 0,8296 cm

Risposta

r = 0,8296 cm
8.Campi magnetici e induzione

Risposta: W = 7,402 µJ

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).

Autoinduttanza

L = μ₀N²A/l = 59,22 µH

Energia immagazzinata

W = ½LI² = ½·5,922 × 10⁻⁵·0,5² = 7,402 × 10⁻⁶ J = 7,402 µJ

Risposta

W = 7,402 µJ
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 0,2978 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·500 = 3142 rad/s
XL = ωL = 3142·0,02 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(3142·4,7·10⁻⁶) = 67,73 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (−4,894)²) = 40,3 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 12/40,3 = 0,2978 A

Risposta

I = 0,2978 A
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: VC = 0,4393 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|.

Reattanze

ω = 2πf = 2π·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0,15 = 188,5 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·100·10⁻⁶) = 7,958 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(15² + (180,5)²) = 181,2 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 10/181,2 = 0,0552 A

Tensione sul condensatore

VC = I·XC = 0,0552·7,958 = 0,4393 V

Risposta

VC = 0,4393 V

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