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−−10 µCP20 cm

Una carica di +10 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 12 cm dalla prima. Trova il modulo del campo elettrico E in P.

q1 = +10 µCq2 = −10 µCr1 = 12 cmr2 = 8 cm
E = N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
L = 30 cm20°qq

Due palline identiche, ciascuna di massa 10 g, sono appese allo stesso punto con fili isolanti lunghi 30 cm. Ricevono cariche uguali e ogni filo si assesta a 20° dalla verticale. Usa g = 9,81 m/s². Trova la carica q su ciascuna pallina in nC. Use k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².

m = 10 gL = 30 cmθ = 20°g = 9,81 m/s²
q = nC
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 10 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​2 ΩAR4​10 ΩB

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 2 ΩR3 = 15 ΩR4 = 10 Ω
Req = Ω
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 30 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​10 VR2​2 ΩIR2​AR4​6 ΩBR6​15 Ω

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 10 VR1 = 30 ΩR2 = 2 ΩR3 = 6 ΩR4 = 6 ΩR5 = 6 ΩR6 = 15 Ω
IR2 = A
5.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​6 Vt = 0R = 47 ΩL33 mHi(t)

L’induttore non porta corrente prima che l’interruttore si chiuda in t = 0. Trova la tensione vL ai capi dell’induttore in t = 1 ms.

Vs = 6 VR = 47 ΩL = 33 mHt = 1 ms
vL = V
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​20 Vt = 0R = 6,8 kΩC220 µF+−vC​vC​(0) = 24 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 24 V con la polarità indicata. Quanto tempo serve perché vC raggiunga 21,6 V? Trova t.

Vs = 20 VR = 6,8 kΩC = 220 µFvC(0) = 24 V
t = ms
7.Campi magnetici e induzioneMedia
nBA = 100 cm², N = 25B = 0,3 T

Una bobina di 25 spire ha un’area di 100 cm². La bobina si trova in un campo uniforme di 0,3 T perpendicolare al suo piano, e il campo viene spento in 200 ms. Trova la f.e.m. indotta media ε.

N = 25A = 100 cm²B = 0,3 TΔt = 200 ms
ε = mV
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
I = 2,5 Al = 25 cmN = 300, ⌀ 2,5 cm

Un solenoide lungo con nucleo d’aria ha 300 spire, una lunghezza di 25 cm e un diametro di 2,5 cm. Trova l’energia W immagazzinata nel suo campo magnetico quando è percorso da 2,5 A.

N = 300l = 25 cm⌀ = 2,5 cmI = 2,5 Aμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
W = µJ
9.Impedenza AC e fasoriMedia
120 V100 HzR = 25 ΩL = 200 mHC = 100 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 120 V (efficaci), 100 Hz. Trova la corrente efficace I.

V = 120 V (rms)f = 100 HzR = 25 ΩL = 200 mHC = 100 µF
I = A
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
100 V50 HzR1​ = 40 ΩR2​ = 150 ΩC = 22 µF

Un resistore R1 è collegato in serie a un parallelo tra R2 e un condensatore C, a un’alimentazione da 100 V (efficaci), 50 Hz. Trova il modulo dell’impedenza |Z|.

V = 100 V (rms)f = 50 HzR1 = 40 ΩR2 = 150 ΩC = 22 µF
|Z| = Ω

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 2,029 × 10⁷ 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 × 10⁻⁶/0,12² = 6,243 × 10⁶ N/C
E2 = k·10 × 10⁻⁶/0,08² = 1,405 × 10⁷ 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 = |6,243 × 10⁶ + 1,405 × 10⁷| = 2,029 × 10⁷ N/C

Risposta

E = 2,029 × 10⁷ N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: q = 409 nC

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.

Forza elettrica dall’equilibrio

La parte orizzontale della tensione equilibra F, la parte verticale equilibra m·g.

F = m·g·tan θ = 0,01·9,81·tan 20° = 0,03571 N

Distanza

r = 2·L·sin θ = 2·0,3·sin 20° = 0,2052 m

Carica

F = k·q²/r² → q = r·√(F/k) = 0,2052·√(0,03571/8,99 × 10⁹) = 4,09 × 10⁻⁷ C = 409 nC

Risposta

q = 409 nC
3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 11,85 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​ = 15 Ω+−V1​12 VR2​2 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 = 15 + 10 = 25 Ω
R2 ∥ 25 = 2·25/(2+25) = 1,852 Ω
Req = R1 + 1,852 = 10 + 1,852 = 11,85 Ω

Risposta

Req = 11,85 Ω
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 0,2658 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​ = 30 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 6 Ω+−V1​10 VR2​2 ΩAR4​6 ΩBR6​15 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 = 6 + 15 = 21 Ω
R4 ∥ 21 = 4,667 Ω
R3 + 4,667 = 10,67 Ω
R2 ∥ 10,67 = 1,684 Ω
Req = R1 + 1,684 = 30 + 1,684 = 31,68 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 = 10/31,68 = 0,3156 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 = 10 − 0,3156·30 = 0,5316 V
IR2 = VA/R2 = 0,5316/2 = 0,2658 A

Risposta

IR2 = 0,2658 A
5.Transitori RC e RL

Risposta: vL = 1,444 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 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 = 33 mH / 47 Ω = 0,7021 ms
i(∞) = Vs/R = 6/47 = 0,1277 A

Tensione sull’induttore

In t = 0 tutta la tensione di alimentazione è ai capi dell’induttore; poi decade a zero.

vL(t) = Vs·e−t/τ = 6·e−1/0,7021 = 1,444 V

Risposta

vL = 1,444 V
6.Transitori RC e RL

Risposta: t = 1371 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) = 24 V, vC(∞) = Vs = 20 V
τ = R·C = 6,8 kΩ · 220 µF = 1496 ms
vC(t) = 20 + (24 − 20)·e−t/τ

Risolvi per il tempo

21,6 = 20 + (4)·e−t/τ → e−t/τ = (21,6 − 20)/(24 − 20) = 0,4
t = τ·ln((24 − 20)/(21,6 − 20)) = 1496·ln(2,5) = 1371 ms

Risposta

t = 1371 ms
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: ε = 375 mV

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 = 0,3·0,01 = 0,003 Wb

F.e.m. media

ε = NΔΦ/Δt = 25·0,003/0,2 = 0,375 V

Risposta

ε = 375 mV
8.Campi magnetici e induzione

Risposta: W = 694 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 = 222,1 µH

Energia immagazzinata

W = ½LI² = ½·0,0002221·2,5² = 0,000694 J = 694 µJ

Risposta

W = 694 µJ
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 1,066 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 = 628,3·0,2 = 125,7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628,3·100·10⁻⁶) = 15,92 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(25² + (109,7)²) = 112,6 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 120/112,6 = 1,066 A

Risposta

I = 1,066 A
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: |Z| = 135 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·50·22·10⁻⁶) = 144,7 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 = 72,3 − j74,95 Ω

Impedenza totale

Z = 40 + 72,3 − j74,95 = 112,3 − j74,95 Ω
|Z| = √(112,3² + 74,95²) = 135 Ω

Risposta

|Z| = 135 Ω

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