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
++3 µC−−2 µCP10 cm

Una carica di +3 µC e una carica di −2 µC si trovano a 10 cm di distanza. Il punto P si trova sulla congiungente, tra le due cariche, a 2,5 cm dalla prima. Trova il modulo del campo elettrico E in P.

q1 = +3 µCq2 = −2 µCr1 = 2,5 cmr2 = 7,5 cm
E = N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
L = 30 cm5°qq

Due palline identiche, ciascuna di massa 2 g, sono appese allo stesso punto con fili isolanti lunghi 30 cm. Ricevono cariche uguali e ogni filo si assesta a 5° 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 = 2 gL = 30 cmθ = 5°g = 9,81 m/s²
q = nC
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 10 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​15 ΩIR2​AR4​8 ΩB

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 9 VR1 = 10 ΩR2 = 15 ΩR3 = 12 ΩR4 = 8 Ω
IR2 = A
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 3 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​8 ΩAR4​25 ΩBR6​15 Ω

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 9 VR1 = 3 ΩR2 = 8 ΩR3 = 3 ΩR4 = 25 ΩR5 = 2 ΩR6 = 15 Ω
Req = Ω
5.Transitori RC e RLMedia
R = 10 Ωt = 0L33 mHi(t)

L’induttore porta una corrente stazionaria di 3 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 = 5 ms.

i(0) = 3 AR = 10 ΩL = 33 mHt = 5 ms
i = A
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​20 Vt = 0R = 2,2 kΩC22 µF+−vC​vC​(0) = 30 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 30 V con la polarità indicata. Quanto tempo serve perché vC raggiunga 23 V? Trova t.

Vs = 20 VR = 2,2 kΩC = 22 µFvC(0) = 30 V
t = ms
7.Campi magnetici e induzioneMedia
20 A15 Ad = 5 cm

Due fili paralleli lunghi, a 5 cm di distanza, sono percorsi da correnti di 20 A e 15 A in versi opposti. Trova la forza per metro di lunghezza F/L tra di essi.

I1 = 20 AI2 = 15 Ad = 5 cmμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
F/L = µN/m
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
l = 40 cmN = 500, ⌀ 1,5 cm

Un solenoide lungo con nucleo d’aria ha 500 spire, una lunghezza di 40 cm e un diametro di 1,5 cm. Trova la sua autoinduttanza L.

N = 500l = 40 cm⌀ = 1,5 cmμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
L = µH
9.Impedenza AC e fasoriMedia
10 V50 HzR = 60 ΩL = 20 mHC = 100 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 10 V (efficaci), 50 Hz. Trova la corrente efficace I.

V = 10 V (rms)f = 50 HzR = 60 ΩL = 20 mHC = 100 µF
I = A
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
230 V500 HzR1​ = 25 ΩR2​ = 20 ΩC = 22 µF

Un resistore R1 è collegato in serie a un parallelo tra R2 e un condensatore C, a un’alimentazione da 230 V (efficaci), 500 Hz. Trova il modulo dell’impedenza |Z|.

V = 230 V (rms)f = 500 HzR1 = 25 ΩR2 = 20 ΩC = 22 µF
|Z| = Ω

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 4,635 × 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·3 × 10⁻⁶/0,025² = 4,315 × 10⁷ N/C
E2 = k·2 × 10⁻⁶/0,075² = 3,196 × 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 = |4,315 × 10⁷ + 3,196 × 10⁶| = 4,635 × 10⁷ N/C

Risposta

E = 4,635 × 10⁷ N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: q = 22,85 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 = 0,002·9,81·tan 5° = 0,001717 N

Distanza

r = 2·L·sin θ = 2·0,3·sin 5° = 0,05229 m

Carica

F = k·q²/r² → q = r·√(F/k) = 0,05229·√(0,001717/8,99 × 10⁹) = 2,285 × 10⁻⁸ C = 22,85 nC

Risposta

q = 22,85 nC
3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 0,2769 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​ = 12 Ω+−V1​9 VR2​15 ΩAR4​8 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 = 12 + 8 = 20 Ω
R2 ∥ 20 = 15·20/(15+20) = 8,571 Ω
Req = R1 + 8,571 = 10 + 8,571 = 18,57 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 = 9/18,57 = 0,4846 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 − 0,4846·10 = 4,154 V
IR2 = VA/R2 = 4,154/15 = 0,2769 A

Risposta

IR2 = 0,2769 A
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 7,97 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​ = 3 ΩR3​ = 3 ΩR5​ = 2 Ω+−V1​9 VR2​8 ΩAR4​25 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 = 2 + 15 = 17 Ω
R4 ∥ 17 = 10,12 Ω
R3 + 10,12 = 13,12 Ω
R2 ∥ 13,12 = 4,97 Ω
Req = R1 + 4,97 = 3 + 4,97 = 7,97 Ω

Risposta

Req = 7,97 Ω
5.Transitori RC e RL

Risposta: i = 0,6593 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 = 33 mH / 10 Ω = 3,3 ms

Decadimento della corrente

i(t) = 3·e−5/3,3 = 0,6593 A

Risposta

i = 0,6593 A
6.Transitori RC e RL

Risposta: t = 58,27 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) = 30 V, vC(∞) = Vs = 20 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 22 µF = 48,4 ms
vC(t) = 20 + (30 − 20)·e−t/τ

Risolvi per il tempo

23 = 20 + (10)·e−t/τ → e−t/τ = (23 − 20)/(30 − 20) = 0,3
t = τ·ln((30 − 20)/(23 − 20)) = 48,4·ln(3,333) = 58,27 ms

Risposta

t = 58,27 ms
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: F/L = 1200 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 × 10⁻⁷·20·15/0,05 = 1200 µN/m

Risposta

F/L = 1200 µN/m

Correnti in versi opposti si respingono.

8.Campi magnetici e induzione

Risposta: L = 138,8 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 × 10⁻⁷·500²·0,0001767/0,4 = 0,0001388 H = 138,8 µH

Risposta

L = 138,8 µH
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 0,1533 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·50 = 314,2 rad/s
XL = ωL = 314,2·0,02 = 6,283 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314,2·100·10⁻⁶) = 31,83 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (−25,55)²) = 65,21 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 10/65,21 = 0,1533 A

Risposta

I = 0,1533 A
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: |Z| = 33,26 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·500·22·10⁻⁶) = 14,47 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 = 6,871 − j9,498 Ω

Impedenza totale

Z = 25 + 6,871 − j9,498 = 31,87 − j9,498 Ω
|Z| = √(31,87² + 9,498²) = 33,26 Ω

Risposta

|Z| = 33,26 Ω

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