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
++6 µC−−8 µCP30 cm

Una carica di +6 µC e una carica di −8 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 = +6 µCq2 = −8 µCr1 = 22,5 cmr2 = 7,5 cm
E = N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettricoDifficile
10 cm3 cm+q1​ = +10 µC+q3​ = +5 µC+q2​ = +8 µC

Tre cariche puntiformi positive si trovano ai vertici di un triangolo rettangolo: q₃ = 5 µC è nel vertice dell’angolo retto, q₁ = 10 µC si trova a 10 cm da essa lungo un cateto e q₂ = 8 µC a 3 cm da essa lungo l’altro cateto. Trova il modulo della forza elettrica risultante F su q₃.

q1 = 10 µCq2 = 8 µCq3 = 5 µCr13 = 10 cmr23 = 3 cm
F = N
3.Resistori in serie e paralleloMedia
R1​ = 3 ΩR3​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​3 ΩAR4​3 ΩB

Trova la resistenza equivalente Req vista dal generatore V1.

V1 = 18 VR1 = 3 ΩR2 = 3 ΩR3 = 12 ΩR4 = 3 Ω
Req = Ω
4.Resistori in serie e paralleloDifficile
R1​ = 8 ΩIR1​R3​ = 12 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAR4​30 ΩBR6​8 Ω

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

V1 = 30 VR1 = 8 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 ΩR4 = 30 ΩR5 = 12 ΩR6 = 8 Ω
IR1 = A
5.Transitori RC e RLMedia
+−Vs​5 Vt = 0R = 50 ΩL220 mHi(t)

L’induttore non porta corrente prima che l’interruttore si chiuda in t = 0. Trova l’energia W(∞) immagazzinata nell’induttore una volta che il circuito si è stabilizzato, in mJ.

Vs = 5 VR = 50 ΩL = 220 mH
W(∞) = mJ
6.Transitori RC e RLDifficile
+−Vs​20 Vt = 0R = 2,2 kΩC68 µF+−vC​vC​(0) = 18 V

Subito prima che l’interruttore si chiuda in t = 0, il condensatore ha 18 V con la polarità indicata. Trova la tensione del condensatore vC in t = 120 ms.

Vs = 20 VR = 2,2 kΩC = 68 µFvC(0) = 18 Vt = 120 ms
vC = V
7.Campi magnetici e induzioneMedia
−vBF = ?

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

v: verso il bassoB: verso l’interno della pagina
  1. 1verso l’alto
  2. 2verso destra
  3. 3verso il basso
  4. 4verso sinistra
8.Campi magnetici e induzioneDifficile
Bn = ?15 cm × 5 cmN = 250B = 0,05 T

Una bobina di 250 spire, 15 cm × 5 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 12,5 V?

N = 250A = 15 cm × 5 cmB = 0,05 TErms = 12,5 V
n = rpm
9.Impedenza AC e fasoriMedia
120 V200 HzR = 20 ΩL = 20 mHC = 10 µFI

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 120 V (efficaci), 200 Hz. Trova il fattore di potenza cos φ del circuito.

V = 120 V (rms)f = 200 HzR = 20 ΩL = 20 mHC = 10 µF
cos φ =
10.Impedenza AC e fasoriDifficile
12 V100 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 22 µF

Un circuito RLC serie è collegato a un’alimentazione da 12 V (efficaci), 100 Hz. Trova la frequenza di risonanza f0 del circuito.

V = 12 V (rms)f = 100 HzR = 50 ΩL = 50 mHC = 22 µF
f0 = Hz

3Soluzioni

1.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: E = 1,385 × 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·6 × 10⁻⁶/0,225² = 1,065 × 10⁶ N/C
E2 = k·8 × 10⁻⁶/0,075² = 1,279 × 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 = |1,065 × 10⁶ + 1,279 × 10⁷| = 1,385 × 10⁷ N/C

Risposta

E = 1,385 × 10⁷ N/C
2.Legge di Coulomb e campo elettrico

Risposta: F = 402,1 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·10·5 × 10⁻¹²/0,1² = 44,95 N
F2 = k·8·5 × 10⁻¹²/0,03² = 399,6 N

Somma vettoriale

F = √(44,95² + 399,6²) = 402,1 N

Risposta

F = 402,1 N
3.Resistori in serie e parallelo

Risposta: Req = 5,5 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​ = 12 Ω+−V1​18 VR2​3 ΩAR4​3 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 + 3 = 15 Ω
R2 ∥ 15 = 3·15/(3+15) = 2,5 Ω
Req = R1 + 2,5 = 3 + 2,5 = 5,5 Ω

Risposta

Req = 5,5 Ω
4.Resistori in serie e parallelo

Risposta: IR1 = 1,992 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​ = 8 ΩR3​ = 12 ΩR5​ = 12 Ω+−V1​30 VR2​10 ΩAR4​30 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 = 12 + 8 = 20 Ω
R4 ∥ 20 = 12 Ω
R3 + 12 = 24 Ω
R2 ∥ 24 = 7,059 Ω
Req = R1 + 7,059 = 8 + 7,059 = 15,06 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 = 30/15,06 = 1,992 A

Risposta

IR1 = 1,992 A
5.Transitori RC e RL

Risposta: W(∞) = 1,1 mJ

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 = 220 mH / 50 Ω = 4,4 ms
i(∞) = Vs/R = 5/50 = 0,1 A

Energia immagazzinata

W(∞) = ½·L·i(∞)² = ½·220·0,1² = 1,1 mJ

Risposta

W(∞) = 1,1 mJ
6.Transitori RC e RL

Risposta: vC = 19,1 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.

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) = 18 V, vC(∞) = Vs = 20 V
τ = R·C = 2,2 kΩ · 68 µF = 149,6 ms
vC(t) = 20 + (18 − 20)·e−t/τ

Tensione all’istante dato

vC(120) = 20 + (−2)·e−120/149,6 = 19,1 V

Risposta

vC = 19,1 V
7.Campi magnetici e induzione

Risposta: verso sinistra

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 il basso, B: verso l’interno della pagina

Carica negativa

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

Verso della forza

verso sinistra

Risposta

F: verso sinistra
8.Campi magnetici e induzione

Risposta: n = 1801 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 = 17,68 V

Velocità angolare

ω = E₀/(NBA) = 17,68/(250·0,05·0,0075) = 188,6 rad/s

Giri al minuto

n = 60·188,6/(2π) = 1801 rpm

Risposta

n = 1801 rpm
9.Impedenza AC e fasori

Risposta: cos φ = 0,3448

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

XL = 25,13 Ω, XC = 79,58 Ω

Impedenza

|Z| = √(20² + (−54,44)²) = 58 Ω

Fattore di potenza

cos φ = R/|Z| = 20/58 = 0,3448
Il circuito è capacitivo, quindi il fattore di potenza è capacitivo (in anticipo).

Risposta

cos φ = 0,3448
10.Impedenza AC e fasori

Risposta: f0 = 151,7 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·√(0,05·22·10⁻⁶)) = 151,7 Hz

Risposta

f0 = 151,7 Hz

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