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
10 cm10 cm+q1​ = +2 µC+q3​ = +1 µC+q2​ = +8 µC

Tre cariche puntiformi positive si trovano ai vertici di un triangolo rettangolo: q₃ = 1 µC è nel vertice dell’angolo retto, q₁ = 2 µC si trova a 10 cm da essa lungo un cateto e q₂ = 8 µC a 10 cm da essa lungo l’altro cateto. Trova il modulo della forza elettrica risultante F su q₃.

q1 = 2 µCq2 = 8 µCq3 = 1 µCr13 = 10 cmr23 = 10 cm
F = N
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 20 ΩR3​ = 6 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩIR2​AR4​5 ΩB

Trova la corrente IR2 in R2.

V1 = 10 VR1 = 20 ΩR2 = 3 ΩR3 = 6 ΩR4 = 5 Ω
IR2 = A
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 4 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAR4​10 ΩBR6​4 Ω

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 30 VR1 = 4 ΩR2 = 5 ΩR3 = 12 ΩR4 = 10 ΩR5 = 30 ΩR6 = 4 Ω
Req = Ω
5.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​15 Vt = 0R1​ = 4,7 kΩR2​ = 3,3 kΩC68 µF+−vC​

Il generatore Vₛ carica il condensatore attraverso R₁, e R₂ è collegato in parallelo a C. Il condensatore è scarico quando l’interruttore si chiude in t = 0. Trova la costante di tempo τ del circuito dopo la chiusura dell’interruttore.

Vs = 15 VR1 = 4,7 kΩR2 = 3,3 kΩC = 68 µF
τ = ms
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​6 Vt = 0R = 2,2 kΩC100 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 16,8 V? Trova t.

Vs = 6 VR = 2,2 kΩC = 100 µFvC(0) = 24 V
t = ms
7.Campi magnetici e induzioneMedia
+v = 1,5 × 10⁵ m/sr = ?B = 1 T

Una particella alfa si muove a 1,5 × 10⁵ m/s perpendicolarmente a un campo magnetico uniforme di 1 T. Trova il raggio r della sua traiettoria circolare.

m = 6,645 × 10⁻²⁷ kg|q| = 3,204 × 10⁻¹⁹ Cv = 1,5 × 10⁵ m/sB = 1 T
r = cm
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
Bn = ?10 cm × 25 cmN = 250B = 0,05 T

Una bobina di 250 spire, 10 cm × 25 cm, ruota in un campo uniforme di 0,05 T attorno a un asse perpendicolare al campo. A quale velocità n (in giri al minuto) deve girare per dare una f.e.m. efficace di 6,942 V?

N = 250A = 10 cm × 25 cmB = 0,05 TErms = 6,942 V
n = rpm
9.Impedenza AC e fasoriMedia
24 V60 HzR = 40 ΩL = 150 mHC = 22 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 24 V (efficaci), 60 Hz. Trova la corrente efficace I.

V = 24 V (rms)f = 60 HzR = 40 ΩL = 150 mHC = 22 µF
I = A
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
24 V200 HzR1​ = 15 ΩR2​ = 50 ΩC = 4,7 µF

Un resistore R1 è collegato in serie a un parallelo tra R2 e un condensatore C, a un’alimentazione da 24 V (efficaci), 200 Hz. Trova il modulo dell’impedenza |Z|.

V = 24 V (rms)f = 200 HzR1 = 15 ΩR2 = 50 ΩC = 4,7 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: F = 7,413 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·2·1 × 10⁻¹²/0,1² = 1,798 N
F2 = k·8·1 × 10⁻¹²/0,1² = 7,192 N

Somma vettoriale

F = √(1,798² + 7,192²) = 7,413 N

Risposta

F = 7,413 N
3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR2 = 0,3514 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​ = 6 Ω+−V1​10 VR2​3 ΩAR4​5 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 = 6 + 5 = 11 Ω
R2 ∥ 11 = 3·11/(3+11) = 2,357 Ω
Req = R1 + 2,357 = 20 + 2,357 = 22,36 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 = 10/22,36 = 0,4473 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 − 0,4473·20 = 1,054 V
IR2 = VA/R2 = 1,054/3 = 0,3514 A

Risposta

IR2 = 0,3514 A
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 7,989 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​ = 4 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​30 VR2​5 ΩAR4​10 ΩBR6​4 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 = 30 + 4 = 34 Ω
R4 ∥ 34 = 7,727 Ω
R3 + 7,727 = 19,73 Ω
R2 ∥ 19,73 = 3,989 Ω
Req = R1 + 3,989 = 4 + 3,989 = 7,989 Ω

Risposta

Req = 7,989 Ω
5.Transitori RC e RL

Risposta: τ = 131,8 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.

Equivalente di Thévenin visto dal condensatore

Cortocircuita il generatore per trovare Rth; apri il condensatore per trovare la tensione a cui si stabilizzerà.

Rth = R1 ∥ R2 = 4,7·3,3/(4,7 + 3,3) = 1,939 kΩ
vC(∞) = 15·3,3/(4,7 + 3,3) = 6,188 V

Costante di tempo

τ = Rth·C = 1,939·68 = 131,8 ms

Risposta

τ = 131,8 ms
6.Transitori RC e RL

Risposta: t = 112,4 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 = 6 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 100 µF = 220 ms
vC(t) = 6 + (24 − 6)·e−t/τ

Risolvi per il tempo

16,8 = 6 + (18)·e−t/τ → e−t/τ = (16,8 − 6)/(24 − 6) = 0,6
t = τ·ln((24 − 6)/(16,8 − 6)) = 220·ln(1,667) = 112,4 ms

Risposta

t = 112,4 ms
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: r = 0,3111 cm

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).

Equilibrio delle forze

La forza magnetica è sempre perpendicolare alla velocità, quindi incurva la traiettoria in una circonferenza.

|q|vB = mv²/r → r = mv/(|q|B)

Raggio

r = 6,645 × 10⁻²⁷·1,5 × 10⁵/(3,204 × 10⁻¹⁹·1) = 0,003111 m = 0,3111 cm

Risposta

r = 0,3111 cm
8.Campi magnetici e induzione

Risposta: n = 300 rpm

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).

F.e.m. di picco

E₀ = √2·Erms = 9,817 V

Velocità angolare

ω = E₀/(NBA) = 9,817/(250·0,05·0,025) = 31,42 rad/s

Giri al minuto

n = 60·31,42/(2π) = 300 rpm

Risposta

n = 300 rpm
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: I = 0,3179 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·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,15 = 56,55 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·22·10⁻⁶) = 120,6 Ω

Impedenza

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

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (−64,02)²) = 75,49 Ω

Corrente

In un circuito serie la stessa corrente attraversa ogni elemento.

I = V/|Z| = 24/75,49 = 0,3179 A

Risposta

I = 0,3179 A
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: |Z| = 62,48 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·200·4,7·10⁻⁶) = 169,3 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 = 45,99 − j13,58 Ω

Impedenza totale

Z = 15 + 45,99 − j13,58 = 60,99 − j13,58 Ω
|Z| = √(60,99² + 13,58²) = 62,48 Ω

Risposta

|Z| = 62,48 Ω

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