Esercizi sui condensatori e materiali dielettrici

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Questa raccolta di esercizi è dedicata allo studio dei condensatori e dei materiali dielettrici, due elementi fondamentali per comprendere il comportamento dei sistemi elettrici in presenza di campi elettrostatici. I condensatori sono dispositivi capaci di immagazzinare carica elettrica e di mantenere una differenza di potenziale tra due conduttori. Analizzarli significa studiare la capacità elettrica, l’energia accumulata e l’evoluzione della carica in funzione della geometria e del contesto in cui il condensatore è inserito.

Un ruolo altrettanto cruciale è svolto dai materiali dielettrici, isolanti inseriti tra le armature del condensatore per modificarne le proprietà elettriche. La presenza di un dielettrico altera il campo elettrico interno, riduce la tensione e aumenta la capacità, grazie alla polarizzazione del materiale.

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 sui condensatori e materiali dielettrici


1

Sulla forza di Coulomb nella materia

Due cariche q_1 = 3,6 \ \mu C e q_2 = - 1,8 \ \mu C si trovano in acqua alla distanza d = 2,5 \ cm.

  • Determina la direzione, il verso e l’intensità della forza elettrostatica

[F = 1,2 \ N]


2

Sulla capacità dei condensatori

Le armature di un condensatore piano acquistano una carica q = 9,5 \ nC quando viene applicata una differenza di potenziale \Delta V = 12,5 \ V.

  • Calcola la capacità del condensatore

[C = 7,6 \cdot 10^{-10} \ F]


3

Sui condensatori piani riempiti da un dielettrico

Un condensatore piano è formato da armature quadrate di lato L = 10 \ cm e immagazzina q = 4,3 \cdot 10^{-5} \ C di carica sulle armature. Tra le armature si trova un foglio di carta di costante dielettrica \epsilon_r = 2,0 che riempie tutto lo spazio all’interno del condensatore, come mostrato in figura:

condensatore armature quadrate
  • Calcola l’intensità del campo elettrico tra le armature

[E = 2,4 \cdot 10^8 \ N/C]


4

Sui condensatori sferici

Le armature di un condensatore sferico di carica q = 2,5  \ nC sono collegate ad una batteria che applica una differenza di potenziale di 5,4 \ V.

  • Calcola il raggio del condensatore

[r = 4,1 \ m]


5

Sulla capacità dei condensatori riempiti da un dielettrico

All’interno di un condensatore a facce piane e parallele è inserito un materiale dielettrico sconosciuto di costante dielettrica \epsilon_r e di spessore d pari alla distanza tra le armature. Se la capacità del condensatore riempito dal dielettrico è il doppio della capacità del condensatore senza materiale dielettrico.

  • Calcola la costante dielettrico \epsilon_r

[\epsilon_r = 2,0]


6

Sulla capacità di un condensatore di geometria triangolare

Un condensatore piano ha le armature che formano un triangolo equilatero di lato L=2,5 \ cm e distanti d = 1,2 \ cm. All’interno delle armature è inserito un materiale di costante dielettrica \epsilon_r = 2,5.

  • Calcola la capacità del condensatore

[C = 5,1 \cdot 10^{-13} \ F]


7

Sull’energia elettrica dei condensatori

Un condensatore a facce piane e parallele è alimentato da una differenza di potenziale di 13 V.

  • Calcola la differenza di potenziale necessaria ad immagazzinare la stessa energia elettrica se viene inserito un dielettrico con \epsilon_r= 3,2

[V_{diel} = 7,3 \ V]


8

Sull’energia elettrica e la potenza

Un condensatore immagazzina una quantità di energia sufficiente per alimentare una torcia da 50 \ W per 2 min. Se la differenza di potenziale tra le armature è 4,3 \cdot 10^4 \ V:

  • Calcola la capacità del condensatore

[C = 6,5 \cdot 10^{-6} \ F]


9

Sull’energia potenziale elettrica ed il lavoro

Un condensatore a facce piane e parallele formato da armature rettangolari di lato a = 2,0 \ cm e b = 4,0 \ cm poste a distanza d = 3 \ mm immagazzina un’energia pari a U = 8,2 \cdot 10^{-10} \ J, dopo di che viene staccato.

  • Calcola la differenza di potenziale applicata
  • Calcola il lavoro necessario per allontanare le armature fino ad x = 8 \ mm

[\mathcal{L} = 1,4 \cdot 10^{-9} \ J]


10

Sul moto di una particella all’interno di un condensatore

Una particella di massa m viene sparata con velocità iniziale v_0 all’interno di un condensatore, come mostrato in figura. Il campo elettrico uniforme generato all’interno del condensatore piano è perpendicolare alla direzione del vettore velocità della particella. Le armature sono lunghe L e la particella esce dal condensatore deviata di un angolo \alpha rispetto alla direzione orizzontale.

[Suggerimento: Trascura la forza peso]

condensatore campo elettrico uniforme
  • Determina l’espressione della carica della particella q

[q = \dfrac{mv_0^2tan\alpha}{EL}]


11

Sull’energia di un condensatore con all’interno un dielettrico

Un condensatore piano ha le armature di area A = 1,2 \ m^2 e poste ad una distanza L = 5 \ cm. Una lastra di materiale dielettrico di spessore d = 3 \ mm e costante dielettrica relativa \epsilon_r = 3 è posta al centro delle due armature. Il condensatore ha una carica Q = 1,0 \ \mu C.

condensatore piano
  • Calcola l’energia del condensatore

[U_{tot} = 2,3 \cdot 10^{-3} \ J]


12

Sul calcolo della costante dielettrica

Un condensatore vuoto è collegato ad una batteria da 12 \ V. Dopo aver disconnesso la batteria viene inserito un materiale dielettrico tra le armature. Se la variazione del potenziale elettrico tra le armature è \Delta V = - 4,3 \ V:

  • Calcola la costante dielettrica relativa del materiale

[\epsilon_r = 1,6]


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