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
−−2 µC−−10 µCr = 15 cm

Due piccole sfere metalliche identiche portano cariche di −2 µC e −10 µC. Vengono messe a contatto e poi riportate a 15 cm di distanza. Trova il modulo della forza F tra di esse ora. Use k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².

q1 = −2 µCq2 = −10 µCr = 15 cm
F = N
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
+−P2 × 8 cm5 cm+8 µC−8 µC

Cariche di +8 µC e −8 µC distano 16 cm. Il punto P si trova a 5 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 = 16 cmh = 5 cm
E = N/C
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 6 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​5 ΩAR4​4 ΩB

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 6 VR1 = 6 ΩR2 = 5 ΩR3 = 8 ΩR4 = 4 Ω
Req = Ω
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 8 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​9 VR2​30 ΩAR4​6 ΩBR6​5 Ω

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 9 VR1 = 8 ΩR2 = 30 ΩR3 = 4 ΩR4 = 6 ΩR5 = 5 ΩR6 = 5 Ω
Req = Ω
5.Transitori RC e RLMedia
R = 22 Ωt = 0L68 mHi(t)

L’induttore porta una corrente stazionaria di 2 A. A t = 0 l’interruttore chiude la maglia attraverso R e il generatore viene escluso, quindi la corrente dell’induttore decresce attraverso R. Trova la tensione vR ai capi di R a t = 5 ms.

i(0) = 2 AR = 22 ΩL = 68 mHt = 5 ms
vR = V
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​15 Vt = 0R = 10 kΩC?+−vC​

Un temporizzatore inizia a caricare un condensatore scarico attraverso un resistore da un’alimentazione di 15 V a t = 0. Deve scattare quando la tensione del condensatore raggiunge 11,25 V, esattamente 500 ms dopo l’avvio. Con R = 10 kΩ, trova la capacità C necessaria.

Vs = 15 VVth = 11,25 VT = 500 msR = 10 kΩ
C = µF
7.Campi magnetici e induzioneMedia
10 A25 Ad = 20 cm

Due fili paralleli lunghi, a 20 cm di distanza, sono percorsi da correnti di 10 A e 25 A nello stesso verso. Trova la forza per metro di lunghezza F/L tra di essi.

I1 = 10 AI2 = 25 Ad = 20 cmμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
F/L = µN/m
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
Bn = 1200 rpm5 cm × 10 cmN = 150B = 0,5 T

Una bobina di 150 spire, 5 cm × 10 cm, ruota a 1200 giri/min in un campo uniforme di 0,5 T attorno a un asse perpendicolare al campo. Trova il valore efficace Erms della f.e.m.

N = 150A = 5 cm × 10 cmB = 0,5 Tn = 1200 rpm
Erms = V
9.Impedenza AC e fasoriMedia
100 V200 HzR = 60 ΩL = 150 mHC = 4,7 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 100 V (efficaci), 200 Hz. Trova la potenza attiva P assorbita dall’alimentazione.

V = 100 V (rms)f = 200 HzR = 60 ΩL = 150 mHC = 4,7 µF
P = W
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
VfR = 10 ΩL = 1 mHC = 0,47 µF

Un circuito RLC serie ha R = 10 Ω, L = 1 mH e C = 0,47 µF. Trova la sua larghezza di banda B (l’ampiezza della banda tra le frequenze a metà potenza), in Hz.

R = 10 ΩL = 1 mHC = 0,47 µF
B = Hz

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: F = 14,38 N

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.

Carica dopo il contatto

q′ = (−2 + −10)/2 = −6 µC

Nuova forza

F = 8,99 × 10⁹·(6 × 10⁻⁶)²/0,15² = 14,38 N

Risposta

F = 14,38 N

Ora entrambe le sfere hanno lo stesso segno, quindi si respingono.

2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 1,371 × 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 = √(8² + 5²) = 9,434 cm
E1 = k·8 × 10⁻⁶/0,09434² = 8,081 × 10⁶ N/C

Componenti

Le componenti lungo l’asse si annullano.

E = 2·E1·(a/r) = 2·8,081 × 10⁶·0,848 = 1,371 × 10⁷ N/C

Risposta

E = 1,371 × 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 = 9,529 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​ = 8 Ω+−V1​6 VR2​5 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 = 8 + 4 = 12 Ω
R2 ∥ 12 = 5·12/(5+12) = 3,529 Ω
Req = R1 + 3,529 = 6 + 3,529 = 9,529 Ω

Risposta

Req = 9,529 Ω
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 14,16 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​ = 8 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 5 Ω+−V1​9 VR2​30 ΩAR4​6 ΩBR6​5 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 + 5 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 3,75 Ω
R3 + 3,75 = 7,75 Ω
R2 ∥ 7,75 = 6,159 Ω
Req = R1 + 6,159 = 8 + 6,159 = 14,16 Ω

Risposta

Req = 14,16 Ω
5.Transitori RC e RL

Risposta: vR = 8,728 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.

Costante di tempo

τ = L/R = 68 mH / 22 Ω = 3,091 ms

Decadimento della corrente

i(t) = 2·e−5/3,091 = 0,3967 A
vR = R·i = 22·0,3967 = 8,728 V

Risposta

vR = 8,728 V
6.Transitori RC e RL

Risposta: C = 36,07 µF

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

11,25 = 15·(1 − e−500/τ) → τ = 500/ln(15/(15 − 11,25))
τ = 500/1,386 = 360,7 ms

Capacità

kΩ per µF dà millisecondi.

C = τ/R = 360,7/10 = 36,07 µF

Risposta

C = 36,07 µF
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: F/L = 250 µN/m

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).

Forza per metro

F/L = μ₀I₁I₂/(2πd) = 2 × 10⁻⁷·10·25/0,2 = 250 µN/m

Risposta

F/L = 250 µN/m

Correnti nello stesso verso si attraggono.

8.Campi magnetici e induzione

Risposta: Erms = 33,32 V

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).

Velocità angolare e area

ω = 2π·1200/60 = 125,7 rad/s
A = 0,005 m²

F.e.m. di picco

E₀ = NBAω = 150·0,5·0,005·125,7 = 47,12 V

Valore efficace

Erms = 47,12/√2 = 33,32 V

Risposta

Erms = 33,32 V
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: P = 151,2 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 = 188,5 Ω, XC = 169,3 Ω

Impedenza

|Z| = √(60² + (19,18)²) = 62,99 Ω

Potenza attiva

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

I = 100/62,99 = 1,588 A
P = I²·R = 1,588²·60 = 151,2 W

Risposta

P = 151,2 W
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: B = 1592 Hz

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|.

Frequenza di risonanza

f0 = 1/(2π·√(0,001·0,47·10⁻⁶)) = 7341 Hz

Fattore di qualità

Q confronta la reattanza in risonanza con la resistenza: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/10)·√(0,001/(0,47·10⁻⁶)) = 4,613

Larghezza di banda

B = f0/Q = 7341/4,613 = 1592 Hz

Risposta

B = 1592 Hz

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