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
++4 µC−−3 µCr = 10 cm

Due piccole sfere metalliche identiche portano cariche di +4 µC e −3 µC. Vengono messe a contatto e poi riportate a 10 cm di distanza. Trova il modulo della forza F tra di esse ora. Use k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².

q1 = +4 µCq2 = −3 µCr = 10 cm
F = N
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
L = 80 cm15°qq

Due palline identiche, ciascuna di massa 5 g, sono appese allo stesso punto con fili isolanti lunghi 80 cm. Ricevono cariche uguali e ogni filo si assesta a 15° 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 = 5 gL = 80 cmθ = 15°g = 9,81 m/s²
q = nC
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 6 ΩR3​ = 15 Ω+−V1​6 VR2​4 ΩAR4​12 ΩB

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 6 VR1 = 6 ΩR2 = 4 ΩR3 = 15 ΩR4 = 12 Ω
Req = Ω
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 20 ΩIR1​R3​ = 3 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAR4​4 ΩBR6​8 Ω

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

V1 = 10 VR1 = 20 ΩR2 = 12 ΩR3 = 3 ΩR4 = 4 ΩR5 = 2 ΩR6 = 8 Ω
IR1 = A
5.Transitori RC e RLMedia
R = 20 Ωt = 0L10 mHi(t)

L’induttore porta una corrente stazionaria di 0,5 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 corrente i in t = 1 ms.

i(0) = 0,5 AR = 20 ΩL = 10 mHt = 1 ms
i = A
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​10 Vsi apre a t = 0R1​ = 3,3 kΩR2​ = 2,2 kΩi2​C22 µF+−vC​

L’interruttore è chiuso da molto tempo, quindi il circuito è a regime. A t = 0 l’interruttore si apre. Trova la corrente i2 in R2 a t = 50 ms.

Vs = 10 VR1 = 3,3 kΩR2 = 2,2 kΩC = 22 µFt = 50 ms
i2 = mA
7.Campi magnetici e induzioneMedia
−vBF = ?

Un elettrone si muove verso sinistra in un campo magnetico uniforme orientato verso l’esterno della pagina. Clicca il verso della forza magnetica su di esso.

v: verso sinistraB: verso l’esterno della pagina
  1. 1verso l’alto
  2. 2verso destra
  3. 3verso il basso
  4. 4verso sinistra
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
l = 25 cmN = 500, ⌀ 1,5 cm

Un solenoide lungo con nucleo d’aria ha 500 spire, una lunghezza di 25 cm e un diametro di 1,5 cm. Trova la sua autoinduttanza L.

N = 500l = 25 cm⌀ = 1,5 cmμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
L = µH
9.Impedenza AC e fasoriMedia
Vf0​ = 200 HzRL = ?C = 10 µF

Un circuito RLC serie con C = 10 µF deve entrare in risonanza a 200 Hz. Trova l’induttanza L necessaria.

f0 = 200 HzC = 10 µF
L = mH
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
VfR = 2 ΩL = 1 mHC = 0,47 µF

Un circuito RLC serie ha R = 2 Ω, L = 1 mH e C = 0,47 µF. Trova il suo fattore di qualità Q in risonanza.

R = 2 ΩL = 1 mHC = 0,47 µF
Q =

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: F = 0,2247 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′ = (4 + −3)/2 = 0,5 µC

Nuova forza

F = 8,99 × 10⁹·(0,5 × 10⁻⁶)²/0,1² = 0,2247 N

Risposta

F = 0,2247 N

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

2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: q = 500,7 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 = 0,005·9,81·tan 15° = 0,01314 N

Distanza

r = 2·L·sin θ = 2·0,8·sin 15° = 0,4141 m

Carica

F = k·q²/r² → q = r·√(F/k) = 0,4141·√(0,01314/8,99 × 10⁹) = 5,007 × 10⁻⁷ C = 500,7 nC

Risposta

q = 500,7 nC
3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 9,484 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​ = 15 Ω+−V1​6 VR2​4 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 = 15 + 12 = 27 Ω
R2 ∥ 27 = 4·27/(4+27) = 3,484 Ω
Req = R1 + 3,484 = 6 + 3,484 = 9,484 Ω

Risposta

Req = 9,484 Ω
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR1 = 0,4178 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​ = 20 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​10 VR2​12 ΩAR4​4 ΩBR6​8 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 + 8 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 2,857 Ω
R3 + 2,857 = 5,857 Ω
R2 ∥ 5,857 = 3,936 Ω
Req = R1 + 3,936 = 20 + 3,936 = 23,94 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 = 10/23,94 = 0,4178 A

Risposta

IR1 = 0,4178 A
5.Transitori RC e RL

Risposta: i = 0,06767 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.

Costante di tempo

τ = L/R = 10 mH / 20 Ω = 0,5 ms

Decadimento della corrente

i(t) = 0,5·e−1/0,5 = 0,06767 A

Risposta

i = 0,06767 A
6.Transitori RC e RL

Risposta: i2 = 0,6471 mA

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.

Tensione iniziale del condensatore

A regime il condensatore è un circuito aperto, quindi R₁ e R₂ formano un partitore di tensione. La tensione del condensatore non può variare bruscamente quando l’interruttore si apre.

vC(0) = 10·2,2/(3,3 + 2,2) = 4 V

Costante di tempo dopo l’apertura dell’interruttore

τ = R2·C = 2,2·22 = 48,4 ms

Scarica

vC(t) = 4·e−50/48,4 = 1,424 V
i2 = vC/R2 = 1,424/2,2 = 0,6471 mA

Risposta

i2 = 0,6471 mA
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: verso il basso

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).

Regola della mano destra

Punta le dita lungo la corrente o la velocità e piegale verso B; il pollice indica la forza su una carica positiva.

v: verso sinistra, B: verso l’esterno della pagina

Carica negativa

La forza su un elettrone è opposta a quella su una carica positiva.

Verso della forza

verso il basso

Risposta

F: verso il basso
8.Campi magnetici e induzione

Risposta: L = 222,1 µH

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·(0,0075)² = 0,0001767 m²

Autoinduttanza

L = μ₀N²A/l = 4π × 10⁻⁷·500²·0,0001767/0,25 = 0,0002221 H = 222,1 µH

Risposta

L = 222,1 µH
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: L = 63,33 mH

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|.

Condizione di risonanza

In risonanza le reattanze induttiva e capacitiva si annullano: ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·200 = 1257 rad/s
L = 1/(ω₀²·C) = 1/(1257²·10·10⁻⁶) = 63,33 mH

Risposta

L = 63,33 mH
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: Q = 23,06

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) = (1/2)·√(0,001/(0,47·10⁻⁶)) = 23,06

Risposta

Q = 23,06

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