Esercizi sull’energia potenziale elettrica

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Questa raccolta di esercizi offre un approfondimento pratico sul concetto di energia potenziale elettrica, la quale misura la capacità di un sistema di cariche di compiere lavoro grazie alla loro interazione. Diversamente dalla semplice descrizione teorica, qui l’attenzione è rivolta al calcolo e all’interpretazione numerica dell’energia immagazzinata in un sistema elettrico.

Gli esercizi proposti abbracciano una vasta gamma di situazioni, dai casi elementari in cui si calcola l’energia potenziale tra due singole cariche, fino a scenari più articolati che richiedono il calcolo dell’energia totale in sistemi composti da più cariche. Ogni problema è corredato da spiegazioni dettagliate e diagrammi esplicativi, che illustrano il processo per passare dalla teoria alla pratica.

Questa raccolta è pensata per studenti di scuole superiori e appassionati di scienze fisiche che desiderano approfondire le proprie conoscenze e migliorare le proprie capacità di problem-solving. Speriamo che vi sia utile nel vostro percorso di studio e vi fornisca una solida base per affrontare con sicurezza le sfide poste dalla termodinamica. Buono studio!

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Esercizi svolti sull’energia potenziale elettrica


1

Sull’energia potenziale elettrica nell’atomo di idrogeno

L’atomo di idrogeno è costituito da un protone ed un elettrone a distanza a, detta raggio di Bohr. Assumendo che l’energia potenziale elettrica sia U = -4,35 \cdot 10^{-18} \ J:

  • Calcola il valore del raggio di Bohr a

[r = 5,3 \cdot 10^{-11} \ m]


2

Sull’energia potenziale elettrica di due cariche

Considera le cariche puntiformi q_1 = 2,3 \ nC e q_2 = - 6,2 \ nC mostrate in figura

esercizi energia potenziale elettrica due cariche
  • Calcola l’energia potenziale elettrostatica del sistema

[U = - 4,6 \cdot 10^{-8} \ J]


3

Sull’energia potenziale elettrica di un sistema di cariche

Tre cariche q_1 = 2,0 \ nC, q_2 = - 6,0 \ nC e q_3 = 8,0 \ nC si trovano ai vertici di un triangolo isoscele di lato L = 5,0 \ cm ed altezza h = 3,0 \ cm, come mostrato in figura.

esercizi energia potenziale elettrica di un sistema di cariche
  • Calcola l’energia potenziale elettrica totale del sistema

[U_{tot} = - 0,6  \cdot 10^{-6} \ J]


4

Sull’energia potenziale elettrica di quattro cariche

Nel sistema mostrato nell’esercizio precedente viene aggiunta una quarta carica q_{4} = - 4,0 \ nC nel punto medio della base del triangolo.

  • Calcola l’energia potenziale elettrica totale del sistema

[U_{tot} = - 6,6 \cdot 10^{-6} \ J]


5

Sull’energia potenziale elettrostatica di un sistema quadrato di cariche

Quattro cariche puntiformi q_1 = 2,1 \ nC, q_2 = - 3,5 \ nC, q_3 = 1,2 \ nC e q_4 = 6,7 \ nC si trovano ai vertici di un quadrato di lato L = 2,3 \ cm

  • Calcola l’energia potenziale elettrica totale del sistema

[U_{tot} = -1,6 \cdot 10^{-6} \ J]


6

Sul lavoro necessario per spostare una carica elettrica

Due cariche puntiformi q_1 = 2,1 \ nC e q_2 = - 3,5 \ nC sono disposte come in figura. Sia L = 8 \ cm il lato del quadrato.

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  • Calcola l’energia potenziale elettrica totale del sistema

Ad un certo istante la carica q_{2} viene spostata come mostrato in figura:

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  • Calcola l’energia potenziale elettrica totale del nuovo sistema
  • Calcola il lavoro compiuto per spostare la carica q_{2}

[U = - 8,3 \cdot 10^{-7} \ J; U' = - 6,0 \cdot 10^{-7} \ J; \mathcal{L} = - 2,3 \cdot 10^{-7} \ J]


7

Sul moto di una particella carica

Una particella di carica q = 5,4 \ nC viene spostata per effetto di una forza elettrica costante dal punto A al punto B di x = 0,5 \ m. Il lavoro compiuto dalla forza è L = 3,4 \cdot 10^{-5} \ J

  • Calcola l’intensità della forza elettrica
  • Calcola il campo elettrico

[F_{el} = 6,8 \cdot 10^{-5} \ N; E = 1,3 \cdot 10^4 \ N/C]


8

Sull’urto di due particelle cariche

Due sfere metalliche di massa m_1= 13 \ g ed m_2 = 21 \ g, raggio r_1 = r_2 = r = 3,4 \ cm e carica q_1 = 1,5 \ \mu C e q_2 = - 1,5 \ \mu C si trovano ferme ad una distanza d = 42 \ cm

  • Calcola la velocità con cui si urtano

[v_{1,f} = 8,9 \cdot 10^{-3} \ m/s; v_{2,f} = 5,5 \cdot 10^{-3} \ m/s]


9

Sul moto di una sfera metallica carica

Una carica q = -5,0 \ \mu C si trova ferma ad una distanza iniziale d = 0,12 \ m da una sfera metallica di massa m= 6,0 \cdot 10^{-3} \ kg con carica Q = - 5,0 \ \mu C. La sfera viene lanciata ad una velocità iniziale v_0 = 24,5 \ m/s verso la carica q

  • Di quanto si sposta la sfera prima di fermarsi

[\Delta x = 0,06 \ m]


10

Sulla conservazione della quantità di moto di due sfere cariche

Una sfera di massa m_1 = 2,0 \cdot 10^{-3} \ kg e carica q_1=5,0 \ \mu C si trova ad una distanza iniziale d da una seconda sfera metallica di massa m_2 = 6,0 \cdot 10^{-3} \ kg con carica q_2 = 5,0 \ \mu C. Le sfere vengono lasciate libere di muoversi e quando si trovano ad una distanza pari a x = 0,3 \ m, la sfera di massa maggiore si trova ad una velocità di v_{2,f} = 230 \ m/s

  • Calcola la distanza iniziale d

[d = 3,5 \cdot 10^{-4} \ m]


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