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−−4 µCP30 cm

Una carica di +2 µC e una carica di −4 µC si trovano a 30 cm di distanza. Il punto P si trova sulla congiungente, tra le due cariche, a 22,5 cm dalla prima. Trova il modulo del campo elettrico E in P.

q1 = +2 µCq2 = −4 µCr1 = 22,5 cmr2 = 7,5 cm
E = N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
3 cm3 cm+q1​ = +5 µC+q3​ = +4 µC+q2​ = +6 µC

Tre cariche puntiformi positive si trovano ai vertici di un triangolo rettangolo: q₃ = 4 µC è nel vertice dell’angolo retto, q₁ = 5 µC si trova a 3 cm da essa lungo un cateto e q₂ = 6 µC a 3 cm da essa lungo l’altro cateto. Trova il modulo della forza elettrica risultante F su q₃.

q1 = 5 µCq2 = 6 µCq3 = 4 µCr13 = 3 cmr23 = 3 cm
F = N
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 10 ΩR3​ = 8 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩIR2​AR4​12 ΩB

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 20 ΩR3 = 8 ΩR4 = 12 Ω
IR2 = A
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 4 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩIR2​AR4​3 ΩBR6​5 Ω

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 9 VR1 = 4 ΩR2 = 12 ΩR3 = 6 ΩR4 = 3 ΩR5 = 12 ΩR6 = 5 Ω
IR2 = A
5.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​20 Vt = 0R = 15 ΩL150 mHi(t)

L’induttore non porta corrente prima che l’interruttore si chiuda in t = 0. Quanto tempo dopo la chiusura dell’interruttore la corrente raggiunge il 99% del suo valore finale? Trova t.

Vs = 20 VR = 15 ΩL = 150 mH
t = ms
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​20 Vt = 0R = 6,8 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 10 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 10 V con la polarità indicata. Quanto tempo serve perché vC raggiunga 15 V? Trova t.

Vs = 20 VR = 6,8 kΩC = 68 µFvC(0) = 10 V
t = ms
7.Campi magnetici e induzioneMedia
15 A8 Ad = 20 cmP

Due fili paralleli lunghi, a 20 cm di distanza, sono percorsi da correnti di 15 A e 8 A in versi opposti. Trova il modulo della densità di flusso magnetico B nel punto P, a metà tra di essi.

I1 = 15 AI2 = 8 Ad = 20 cmμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
B = µT
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
Bn = 300 rpm15 cm × 5 cmN = 500B = 0,05 T

Una bobina di 500 spire, 15 cm × 5 cm, ruota a 300 giri/min in un campo uniforme di 0,05 T attorno a un asse perpendicolare al campo. Trova il valore efficace Erms della f.e.m.

N = 500A = 15 cm × 5 cmB = 0,05 Tn = 300 rpm
Erms = V
9.Impedenza AC e fasoriMedia
100 V100 HzR = 60 ΩL = 100 mHC = 10 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 100 V (efficaci), 100 Hz. Trova la corrente efficace I.

V = 100 V (rms)f = 100 HzR = 60 ΩL = 100 mHC = 10 µF
I = A
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
10 V200 HzR = 30 ΩL = 20 mHC = 10 µF

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 10 V (efficaci), 200 Hz. Trova la frequenza di risonanza f0 del circuito.

V = 10 V (rms)f = 200 HzR = 30 ΩL = 20 mHC = 10 µF
f0 = Hz

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 6,748 × 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·2 × 10⁻⁶/0,225² = 355160 N/C
E2 = k·4 × 10⁻⁶/0,075² = 6,393 × 10⁶ N/C

Versi e somma

Il primo campo è diretto lontano dalla carica positiva e il secondo verso la carica negativa: entrambi hanno lo stesso verso.

E = |355160 + 6,393 × 10⁶| = 6,748 × 10⁶ N/C

Risposta

E = 6,748 × 10⁶ N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: F = 312,1 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·5·4 × 10⁻¹²/0,03² = 199,8 N
F2 = k·6·4 × 10⁻¹²/0,03² = 239,7 N

Somma vettoriale

F = √(199,8² + 239,7²) = 312,1 N

Risposta

F = 312,1 N
3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 0,3 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 Ω+−V1​12 VR2​20 ΩAR4​12 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 + 12 = 20 Ω
R2 ∥ 20 = 20·20/(20+20) = 10 Ω
Req = R1 + 10 = 10 + 10 = 20 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 = 12/20 = 0,6 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 = 12 − 0,6·10 = 6 V
IR2 = VA/R2 = 6/20 = 0,3 A

Risposta

IR2 = 0,3 A
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 0,4164 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​ = 4 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​12 ΩAR4​3 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 = 12 + 5 = 17 Ω
R4 ∥ 17 = 2,55 Ω
R3 + 2,55 = 8,55 Ω
R2 ∥ 8,55 = 4,993 Ω
Req = R1 + 4,993 = 4 + 4,993 = 8,993 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 = 9/8,993 = 1,001 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 − 1,001·4 = 4,997 V
IR2 = VA/R2 = 4,997/12 = 0,4164 A

Risposta

IR2 = 0,4164 A
5.Transitori RC e RL

Risposta: t = 46,05 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.

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 = 150 mH / 15 Ω = 10 ms
i(∞) = Vs/R = 20/15 = 1,333 A

Risolvi per il tempo

0,99 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,99)
t = −10·ln(0,01) = 46,05 ms

Risposta

t = 46,05 ms
6.Transitori RC e RL

Risposta: t = 320,5 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) = 10 V, vC(∞) = Vs = 20 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 68 µF = 462,4 ms
vC(t) = 20 + (10 − 20)·e−t/τ

Risolvi per il tempo

15 = 20 + (−10)·e−t/τ → e−t/τ = (15 − 20)/(10 − 20) = 0,5
t = τ·ln((10 − 20)/(15 − 20)) = 462,4·ln(2) = 320,5 ms

Risposta

t = 320,5 ms
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: B = 46 µT

Campo magnetico delle correnti: attorno a un filo rettilineo lungo le linee di campo sono circonferenze (regola della mano destra) con B = μ₀I/(2πr). Al centro di una bobina circolare piana di N spire, B = μ₀NI/(2R). All’interno di un solenoide lungo il campo è uniforme, B = μ₀nI con n = N/L spire per metro, qualunque sia il raggio. μ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A. Lavora in unità SI (metri e ampere) e somma vettorialmente i campi di più sorgenti.

Campo di ciascun filo in P

B1 = 2 × 10⁻⁷·15/0,1 = 30 µT
B2 = 2 × 10⁻⁷·8/0,1 = 16 µT

Combina

B = B₁ + B₂ = 46 µT

Risposta

B = 46 µT
8.Campi magnetici e induzione

Risposta: Erms = 4,165 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·300/60 = 31,42 rad/s
A = 0,0075 m²

F.e.m. di picco

E₀ = NBAω = 500·0,05·0,0075·31,42 = 5,89 V

Valore efficace

Erms = 5,89/√2 = 4,165 V

Risposta

Erms = 4,165 V
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 0,8812 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·100 = 628,3 rad/s
XL = ωL = 628,3·0,1 = 62,83 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·10·10⁻⁶) = 159,2 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (−96,32)²) = 113,5 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 100/113,5 = 0,8812 A

Risposta

I = 0,8812 A
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: f0 = 355,9 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|.

Risonanza

In risonanza le reattanze induttiva e capacitiva si annullano: ωL = 1/(ωC). La frequenza di alimentazione non conta.

f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,02·10·10⁻⁶)) = 355,9 Hz

Risposta

f0 = 355,9 Hz

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