Campo elettrico e condensatori

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Questa raccolta di esercizi svolti si propone di approfondire i concetti fondamentali di campo elettrico e condensatori, due pilastri nell’ambito dell’elettrostatica e dell’elettrodinamica. Il campo elettrico, definito come la regione dello spazio in cui una carica elettrica subisce una forza, rappresenta un concetto chiave per comprendere le interazioni a distanza e la distribuzione delle cariche.

Parallelamente, la trattazione dei condensatori si focalizza sul loro ruolo nell’immagazzinamento di energia elettrica e nelle applicazioni pratiche dei circuiti elettrici. I condensatori, elementi capaci di accumulare carica elettrica e di mantenere un potenziale elettrico costante, sono analizzati mediante esercizi che ne evidenziano le caratteristiche.

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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Se desiderate consolidare le basi per l’università e diventare davvero forti in questi argomenti, suggeriamo di approfondire gli esercizi su campo elettrico e condensatori e gli esercizi sulla legge di Gauss di QuiSiRisolve👨‍🎓

Esercizi svolti su campo elettrico e condensatori


1

Sul campo elettrico generato da una carica puntiforme

Una carica puntiforme possiede una carica positiva pari a q = 1,00 \ nC

  • Calcola l’intensità del campo elettrico generato ad una distanza r = 10 \ cm

[E = 900 \ N/C]


2

Sul campo elettrico

Una sfera di massa m = 21 \ g e carica q = -1,0 \ \mu C si trova sospesa in aria.

  • Calcola l’intensità, la direzione ed il verso del campo elettrico affinché la carica rimanga sospesa

[E = - 21 \cdot 10^4 \ N/C]


3

Sul principio di sovrapposizione del campo elettrico

Due cariche rispettivamente di carica q_1 = 2,0  \ \mu C e q_2 = -5,0  \ \mu C si trovano a distanza r_1 = 3,0 \ cm ed r_2 = 6,0 \ cm rispetto all’origine, come mostrato in figura:

principio di sovrapposizione
  • Calcola il campo elettrico totale nell’origine

[E_{tot} = - 0,8 \cdot 10^7 \ N/C]


4

Sul principio di sovrapposizione in un sistema di cariche

Quattro cariche puntiformi si trovano ai vertici di un quadrato di lato L = 4,0 \ cm. Tre cariche sono positive e pari a q_{+} = 1,0 \ nC mentre una carica è negativa e pari a q_{-} = -2,0 \ nC.

  • Calcola l’intensità del campo elettrico totale al centro del quadrato

[E_{tot} = 3,4 \cdot 10^4 \ N/C]


5

Sulla forza elettrostatica ed la forza elastica

Una particella di massa trascurabile e carica q = - 1,0 \ nC si trova in equilibrio collegata ad una molla di costante elastica k = 10 \ N/m. La carica si trova in un punto dello spazio in cui è presente un campo elettrico diretto verso il basso di intensità pari a E = - 4,0 \times 10^3 \ N/C.

campo elettrico e molla
  • Specifica se la molla si comprime o si allunga e calcola la compressione o allungamento all’equilibrio

[\Delta x = 4,0 \cdot 10^{-7} \ m]


6

Sulla forza elettrostatica e la tensione

Una particella di massa trascurabile e carica q = 1,00 \ nC si trova in equilibrio collegata ad un filo come mostrato in figura. La carica si trova in un punto dello spazio in cui è presente un campo elettrico diretto verso il basso di intensità pari a E = - 4,0 \cdot 10^3 \ N/C

campo elettrico e fune
  • Calcola la tensione della fune

[T = 4,0 \cdot 10^{-6} \ N]


7

Sul principio di sovrapposizione applicato a due cariche

Due cariche sono disposte sull’asse x, come mostrato in figura. La prima carica q_1 = 5,2 \ \mu C, si trova nell’origine mentre la seconda carica q_2 = 2,4 \ \mu C si trova a 8,5 \ cm dall’origine

Due Cariche Lungo X
  • Calcola il campo elettrico alla distanza x = 3,4 \ cm

[E = 3,1 \cdot 10^7 \ N/C]


8

Sul condensatore piano

Un conduttore quadrato di lato L = 10 \ cm ha una densità di carica superficiale pari a \sigma = - 2,5 \ \mu C/m^2

  • Calcola la carica presente sul conduttore
  • Assumendo di avere un conduttore sferico di uguale densità superficiale e raggio r = L, calcola la carica presente sul conduttore

[q = - 2,5 \cdot 10^{-8} \ C; q =  - 3,3 \cdot 10^{-7} \ C]


9

Sulla carica puntiforme all’interno di un condensatore piano

Un condensatore piano è formato da due armature quadrate di lato L = 5 \ cm. L’armatura positiva ha carica Q = + 1,00 \ \mu C mentre l’armatura negativa ha carica Q = - 1,00 \ \mu C. Assumendo di inserire una carica puntiforme q = 1,00 \ \nC all’interno delle armature:

CE Condensatori 9
  • Calcola l”intensità, la direzione ed il verso della forza che agisce sulla carica puntiforme

[F = 4,5 \cdot 10^{-2} \ N, direzione parallela ad \vec{E}, Verso l’armatura carica negativamente]


10

Su un condensatore piano e la tensione

Due armature di un condensatore piano con densità di carica superficiale pari a \sigma = 1,3 \cdot 10^{-4} \ C/m^2 sono disposte come in figura. Ad un certo istante, una carica puntiforme di massa m = 1,2 \cdot 10^{-4} \ kg e carica q = 1,00 \ nC appesa ad un filo di lunghezza d = 15 \ cm viene inserita tra le armature. All’ equilibrio il filo è inclinato di \theta = 15^{\circ} rispetto alla verticale.

CE Condensatori 10
  • Calcola la tensione del filo

[T = 1,5 \cdot 10^{-2} \ N]


11

Sull’accelerazione di una carica all’interno di un condensatore piano

Le armature di un condensatore piano hanno densità di carica superficiale \sigma = 2,0 \cdot 10^{-4} \ C/m^2 e sono distanti r = 15 \ cm. All’interno del condensatore viene posto un elettrone sull’armatura negativa che viene poi lasciato libero di muoversi.

CE Condensatori 11
  • Calcola l’accelerazione dell’elettrone ed il tempo necessario per raggiungere l’armatura positiva

[a_e = 3,8 \cdot 10^{18} \ m/s^2; t = 2,8 \cdot 10^{-10} \ s]