24.1.8. Problemi#
- Esercizi su forza, campo elettrico, potenziale elettrico, lavoro, ed energia di sistemi di cariche puntniformi e campi elettrici assegnati (esempi, campo elettrico uniforme tra armature di condensatore piano 
- Distribuzioni di cariche 
Exercise 24.1 (Cariche puntiformi)
Date due cariche elettriche \(q_1, \, q_2 > 0\) viene chiesto di:
- determinare la forza esercitata da una carica sull’altra; 
- determinare e rappresentare (vettori e linee di campo) il campo elettrico nello spazio; 
- determinare l’energia immagazzinata dal sistema, rispetto alla condizione di riferimento all’infinito 
- data una terza carica \(q_3\), - determinare la forza agente sulla carica \(q_3\) in un punto qualsiasi dello spazio 
- determinare eventuali punti di equilibrio della carica \(q_3\) 
- determinare l’entità della carica \(q_3\) affinché il sistema di cariche \(q_1\), \(q_2\), \(q_3\) sia in equilibrio, e le condizioni in cui tale situazione può essere realizzata 
 
Exercise 24.2 (Cariche puntiformi nel piano)
Date le cariche puntiformi di intensità \(q_i\), \(i=1:4\), poste ai vertici di un quadrato di lato \(\ell\), si chiede di determinare:
- la forza agente sulle singole cariche 
- l’energia potenziale immagazzinata nel sistema, rispetto alla condizione di riferimento con le cariche disposte all’ifinito 
- il campo elettrico nel centro del quadrato 
- il lavoro necessario per portare una quinta carica \(q_5\) dall’infinito al centro del quadrato, e l’energia nel sistema composto dalle cinque cariche 
Exercise 24.3
Data una carica puntiforme di intensità \(q\) nel punto \(P\) e un campo elettrico uniforme assegnato \(\vec{e}(\vec{r}) = E \, \hat{x}\) viene chiesto di:
- determinare la forza esterna necessaria a mantenere la carica puntiforme ferma 
- determinare e rappresentare il campo elettrico totale, calcolando i punti in cui il campo è nullo e altri luoghi geometrici particolari 
- calcolare il lavoro compiuto per portare una carica \(q_A\) dal punto \(A_1\) al punto \(A_2\) 
Exercise 24.4
Considerando il sistema del’esercizio precedente, e vincolando la carica puntiforme a terra con una molla di costante elastica \(k\) con lunghezza a riposo nulla, viene chiesto di:
- determinare il valore dell’energia del sistema nella configurazione del sistema con allungamento nullo 
- determinare la condizione di equilibrio del sistema 
- verificare che le condizioni di equilibrio corrispondono a punti di estremo dell’energia del sistema rispetto alla posizione della carica \(P\). In partiolare, l’equilibrio è stabile in corrispondenza dei punti di minimo locale dell’energia, instabile in corrispondenza dei punti di massimo locale dell’energia. 
- Esercizi su sfere concentriche (conduttrici e no) 
- Esercizi su condensatori: relazioni tra grandezze (\(v\), \(C\), \(Q\), \(\varepsilon\), forza tra le armature…), energia immagazzinata, e lavoro meccanico su condensatore; lavoro meccanico per inserire o rimuovere dielettrico; combinazione di condensatori 
- Moto di cariche tra pareti di condensatore 
Exercise 24.5 (Lavoro meccanico su condensatore modificandone la geometria)
Exercise 24.6 (Lavoro necessario a inserire o rimuovere un dielettrico)
- vecchi esercizi 
Exercise 24.7 (Legge di Coulomb)
Due cariche di \(q_1 = 3 \, \mu C\) e \(q_2 = -2 \, \mu C\) sono separate da una distanza di \(r = 0.5 \, \text{m}\). Calcola la forza tra le due cariche usando la legge di Coulomb.
Exercise 24.8 (Forza Elettrica e Direzione)
Due cariche puntiformi di carica \(q_1 = 4 \, \mu C\) e \(q_2 = -3 \, \mu C\) sono posizionate lungo l’asse \(x\), a \(x_1 = 2 \, \text{m}\) e \(x_2 = 6 \, \text{m}\). Calcola la forza che agisce su \(q_2\) a causa di \(q_1\).
Exercise 24.9 (Campo Elettrico da una Carica Puntiforme)
Calcola il campo elettrico a una distanza \(r = 2 \, \text{m}\) da una carica di \(q = 6 \, \mu C\).
Exercise 24.10 (Potenziale Elettrico di una Carica Puntiforme)
Calcola il potenziale elettrico creato da una carica di \(q = 3 \, \mu C\) a una distanza di \(r = 1 \, \text{m}\).
Exercise 24.11 (Legge di Gauss)
Calcola il flusso del campo elettrico attraverso una superficie sferica di raggio \(R = 2 \, \text{m}\) centrata in una carica di \(q = 5 \, \mu C\).
Exercise 24.12 (Superficie Gaussiana con Distribuzione Sferica)
Una carica distribuita uniformemente su una superficie sferica di raggio \(R = 0.2 \, \text{m}\) produce un campo elettrico all’interno di essa. Calcola la carica totale all’interno della superficie se il campo è di \(E = 1 \, \text{kV/m}\) a \(r = 0.1 \, \text{m}\).
Exercise 24.13 (Campo Elettrico da una Distribuzione Continua di Carica)
Calcola il campo elettrico prodotto da una distribuzione continua di carica su una linea di lunghezza \(L = 1 \, \text{m}\) e densità di carica lineare \(\lambda = 2 \, \mu C/\text{m}\) a una distanza \(r = 0.5 \, \text{m}\) dal centro della linea.
Exercise 24.14 (Energia Potenziale Elettrica tra Due Cariche)
Calcola l’energia potenziale elettrica tra due cariche di \(q_1 = 1 \, \mu C\) e \(q_2 = 2 \, \mu C\) separate da una distanza di \(r = 0.3 \, \text{m}\).
Exercise 24.15 (Legge di Faraday Stazionaria)
Calcola il campo elettrico indotto da un campo magnetico stazionario di intensità \(B = 0.5 \, \text{T}\) che attraversa un solenoide di lunghezza \(L = 1 \, \text{m}\) e \(N = 100\) spire.
Exercise 24.16 (Moto di una Carica in un Campo Elettrico)
Una particella di carica \(q = 5 \, \mu C\) si muove con velocità \(v = 3 \, \text{m/s}\) in un campo elettrico uniforme di intensità \(E = 4 \, \text{kV/m}\). Calcola la forza che agisce sulla particella.
Exercise 24.17 (Capacitore Piatto)
Calcola la capacità di un condensatore a piatti paralleli con superficie dei piatti \(A = 1 \, \text{m}^2\) e separazione tra i piatti di \(d = 0.01 \, \text{m}\), se il dielettrico tra i piatti è l’aria con costante dielettrica \(\epsilon_0 = 8.85 \times 10^{-12} \, \text{F/m}\).
Exercise 24.18 (Energia di un Condensatore)
Calcola l’energia immagazzinata in un condensatore con capacità \(C = 2 \, \mu F\) e tensione applicata \(V = 10 \, \text{V}\).
Exercise 24.19 (Energia Potenziale di un Condensatore)
Un condensatore a piatti paralleli ha una capacità di \(C = 3 \, \mu F\) e viene caricato fino a \(V = 12 \, \text{V}\). Calcola l’energia potenziale immagazzinata nel condensatore.
Exercise 24.20 (Potenziale di un Condensatore)
Calcola il potenziale elettrico tra due piatti di un condensatore a piatti paralleli con carica di \(Q = 5 \, \mu C\) e capacità di \(C = 2 \, \mu F\).
Exercise 24.21 (Capacità di un Condensatore con Dielettrico)
Un condensatore a piatti paralleli ha una capacità di \(C = 5 \, \mu F\) con aria come dielettrico. Se il dielettrico viene sostituito da materiale con costante dielettrica \(\epsilon_r = 2\), calcola la nuova capacità del condensatore.
Exercise 24.22 (Densità di Energia in un Campo Elettrico)
Calcola la densità di energia in un campo elettrico con intensità \(E = 100 \, \text{kV/m}\) in un materiale con costante dielettrica \(\epsilon_r = 4\).
Exercise 24.23 (Energia Potenziale di una Carica in un Condensatore)
Calcola l’energia potenziale di una carica di \(q = 2 \, \mu C\) in un condensatore con tensione di \(V = 10 \, \text{V}\).
Exercise 24.24 (Capacità di un Condensatore Sferico)
Calcola la capacità di un condensatore sferico con raggio interno \(r_1 = 0.1 \, \text{m}\) e raggio esterno \(r_2 = 0.2 \, \text{m}\) nel vuoto.
Exercise 24.25 (Carica di un Condensatore)
Un condensatore con capacità \(C = 10 \, \mu F\) è collegato a una batteria che fornisce una tensione di \(V = 20 \, \text{V}\). Calcola la carica immagazzinata nel condensatore.
Exercise 24.26 (Potenziale di una Carica in un Campo Elettrico Uniforme)
Una carica di \(q = 2 \, \mu C\) è posta a una distanza di \(r = 0.5 \, \text{m}\) da un piano carico che crea un campo elettrico uniforme di \(E = 4 \, \text{kV/m}\). Calcola il potenziale in quel punto.
Exercise 24.27 (Legge di Coulomb in un Dielettrico)
Due cariche di \(q_1 = 4 \, \mu C\) e \(q_2 = -6 \, \mu C\) sono separate da una distanza di \(r = 0.2 \, \text{m}\) in un dielettrico con costante \(\epsilon_r = 5\). Calcola la forza tra le due cariche.
Exercise 24.28 (Potenziale Elettrico di un Dipolo)
Calcola il potenziale elettrico creato da un dipolo con momento dipolare \(p = 5 \, \mu C \cdot \text{m}\) a una distanza di \(r = 0.1 \, \text{m}\) lungo l’asse del dipolo.
Exercise 24.29 (Condensatore con Dielettrico Non Lineare)
Calcola la capacità di un condensatore a piatti paralleli con costante dielettrica non lineare, con \(\epsilon_r = 10 + 2E\) dove \(E\) è il campo elettrico. Se il campo elettrico è \(E = 100 \, \text{kV/m}\), qual è la capacità?
Exercise 24.30 (Forza su una Carica in un Campo Elettrico Non Uniforme)
Una particella di carica \(q = 1 \, \mu C\) è posta in un campo elettrico che varia linearmente con la distanza. Calcola la forza che agisce sulla particella se il campo elettrico varia da \(E_1 = 5 \, \text{kV/m}\) a \(E_2 = 10 \, \text{kV/m}\) in un intervallo di \(r = 1 \, \text{m}\).
Exercise 24.31 (Campo Elettrico all’Interno di una Sfera Carica)
Calcola il campo elettrico all’interno di una sfera carica con densità di carica uniforme \(\rho = 3 \, \mu C/\text{m}^3\) e raggio \(R = 0.2 \, \text{m}\).