भौतिकी 2: विद्युत और चुंबकत्व: क्रैम पैक

सूत्र-पत्रक, हर विषय के मुख्य विधि-चरण और 10 अभ्यास प्रश्न, पूरे हल पीछे दिए गए हैं।

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1सूत्र और विधियाँ

कूलॉम का नियम और विद्युत क्षेत्र

कूलॉम का नियम: F = k·|q₁q₂|/r²
बिंदु आवेश का क्षेत्र: E = k·|q|/r²
स्थिरांक: k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C²
आवेश पर बल: F = q·E

श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक

श्रेणी में प्रतिरोध: R_eq = R₁ + R₂ + …
समांतर में प्रतिरोध: 1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂ + …
दो समांतर में: R_eq = R₁R₂ / (R₁ + R₂)
ओम का नियम: V = I·R
शक्ति: P = V·I = I²R = V²/R

विधि

नेटवर्क के उस सिरे से शुरू करें जो टर्मिनलों से सबसे दूर है।
श्रेणी में प्रतिरोधकों को जोड़कर मिलाएँ, और समांतर में प्रतिरोधकों को 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + … से।
हर चरण के बाद परिपथ दोबारा बनाएँ।
तब तक दोहराएँ जब तक टर्मिनलों के बीच एक ही प्रतिरोधक न बचे।

RC और RL क्षणिक अवस्थाएँ

समय स्थिरांक: τ = RC | τ = L/R
अनुक्रिया: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ
DC पर संधारित्र: खुला परिपथ; v_C अचानक नहीं बदल सकता
DC पर प्रेरक: शॉर्ट सर्किट; i_L अचानक नहीं बदल सकता
स्थिर अवस्था: t ≈ 5τ

विधि

स्विचिंग के ठीक बाद प्रारंभिक मान ज्ञात करें: संधारित्र की वोल्टता और प्रेरक की धारा अचानक नहीं बदल सकती।
स्विचिंग के बहुत बाद अंतिम मान ज्ञात करें: संधारित्र खुले परिपथ जैसा, प्रेरक लघु परिपथ जैसा व्यवहार करता है।
समय स्थिरांक ज्ञात करें: τ = RC या τ = L/R, संधारित्र या प्रेरक द्वारा देखे गए प्रतिरोध का उपयोग करके।
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ का उपयोग करें।

चुंबकीय क्षेत्र और प्रेरण

लंबा सीधा तार: B = μ₀I/(2πr)
समतल कुंडली का केंद्र: B = μ₀NI/(2R)
लंबी परिनालिका: B = μ₀nI, n = N/L
स्थिरांक: μ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
तार पर बल: F = BIL·sin θ
आवेश पर बल: F = |q|vB·sin θ
वृत्तीय गति: r = mv/(|q|B), T = 2πm/(|q|B)
समांतर तार: F/L = μ₀I₁I₂/(2πd)
फ्लक्स: Φ = BA·cos θ
फैराडे का नियम: ε = −N·ΔΦ/Δt
गतिमान छड़: ε = BLv
जनित्र: E₀ = NBAω, E_rms = E₀/√2
प्रेरकत्व: ε = L·ΔI/Δt, L = μ₀N²A/l, W = ½LI²
अन्योन्य प्रेरकत्व: ε₂ = M·di₁/dt, M = k√(L₁L₂)
वेग चयनक और स्पेक्ट्रोमीटर: v = E/B, r = √(2mV/|q|)/B

विधि

हर राशि को SI इकाइयों में बदलें: cm से m, cm² से m², mT और µT से T।
सही सूत्र चुनें: तार के लिए B = μ₀I/(2πr), कुंडली के केंद्र के लिए μ₀NI/(2R), परिनालिका के भीतर μ₀nI; बलों के लिए F = BIL·sin θ या |q|vB·sin θ।
प्रेरण के लिए फ्लक्स में परिवर्तन ΔΦ = Δ(BA·cos θ) निकालें और ε = N·ΔΦ/Δt उपयोग करें, या गतिमान छड़ के लिए ε = BLv और घूमती कुंडली के लिए NBAω।
दिशाएँ दाहिने हाथ के नियमों से अलग से निकालें, और प्रेरित धाराओं के लिए लेंज़ के नियम से।

AC प्रतिबाधा और फ़ेज़र

प्रतिबाधाएँ: Z_R = R, Z_L = jωL, Z_C = 1/(jωC)
कोणीय आवृत्ति: ω = 2πf
परिमाण और कोण: |Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
फेज़र रूप में ओम का नियम: V = I·Z

विधि

आवृत्ति बदलें: ω = 2πf।
हर प्रतिघात ज्ञात करें: X_L = ωL और X_C = 1/(ωC)।
प्रतिबाधाओं को प्रतिरोधकों की तरह जोड़ें, Z = R + jX के साथ।
परिमाण |Z| = √(R² + X²) और कोण φ = atan(X/R) ज्ञात करें, फिर फ़ेज़र के साथ ओम का नियम लगाएँ।

2अभ्यास प्रश्न

1.कूलॉम का नियम और विद्युत क्षेत्रमध्यम

दो सर्वसम छोटे धातु के गोलों पर +3 µC और −8 µC के आवेश हैं। उन्हें एक-दूसरे से छुआकर फिर 25 cm दूर रख दिया जाता है। अब उनके बीच बल F का परिमाण ज्ञात कीजिए। Use k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C².

q₁ = +3 µCq₂ = −8 µCr = 25 cm

F = N

2.कूलॉम का नियम और विद्युत क्षेत्रकठिन

एक इलेक्ट्रॉन 5 × 10⁷ m/s से दो समांतर प्लेटों के समांतर चलते हुए उनके बीच के एकसमान क्षेत्र में प्रवेश करता है। प्लेटें 5 cm लंबी हैं और उनके बीच क्षेत्र 3800 N/C है। इलेक्ट्रॉन आवेश 1.602 × 10⁻¹⁹ C, द्रव्यमान 9.109 × 10⁻³¹ kg; गुरुत्व को नगण्य मानें। प्लेटों से निकलते समय यह बगल की ओर कितना y विक्षेपित होता है? उत्तर mm में दें।

v₀ = 5 × 10⁷ m/sL = 5 cmE = 3800 N/Ce = 1.602 × 10⁻¹⁹ Cm_e = 9.109 × 10⁻³¹ kg

y = mm

3.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधकमध्यम

स्रोत द्वारा दी गई धारा I_R1 ज्ञात कीजिए, जो R₁ से होकर बहती है।

V₁ = 24 VR₁ = 5 ΩR₂ = 4 ΩR₃ = 20 ΩR₄ = 15 Ω

I_R1 = A

4.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधककठिन

स्रोत V₁ द्वारा देखा गया समतुल्य प्रतिरोध R_eq ज्ञात कीजिए।

V₁ = 12 VR₁ = 3 ΩR₂ = 12 ΩR₃ = 30 ΩR₄ = 12 ΩR₅ = 15 ΩR₆ = 20 Ω

R_eq = Ω

5.RC और RL क्षणिक अवस्थाएँमध्यम

प्रेरक 2 A की स्थिर धारा वहन करता है। t = 0 पर स्विच R से होकर लूप बंद करता है और स्रोत हटा दिया जाता है, इसलिए प्रेरक धारा R से होकर क्षय होती है। t = 25 ms पर धारा i ज्ञात कीजिए।

i(0) = 2 AR = 15 ΩL = 150 mHt = 25 ms

i = A

6.RC और RL क्षणिक अवस्थाएँकठिन

एक टाइमर t = 0 पर 9 V आपूर्ति से एक प्रतिरोधक के माध्यम से एक अनावेशित संधारित्र को आवेशित करना शुरू करता है। इसे तब ट्रिगर होना है जब संधारित्र वोल्टता 7.2 V तक पहुँचे, शुरुआत के ठीक 10 ms बाद। C = 22 µF के साथ आवश्यक प्रतिरोध R ज्ञात कीजिए।

V_s = 9 VV_th = 7.2 VT = 10 msC = 22 µF

R = kΩ

7.चुंबकीय क्षेत्र और प्रेरणमध्यम

50 फेरों की कुंडली का क्षेत्रफल 25 cm² है। कुंडली को 0.3 T के एकसमान क्षेत्र में, जो उसके तल के लंबवत है, 250 ms में पलट दिया जाता है (180° घुमाया जाता है)। औसत प्रेरित emf ε ज्ञात करें।

N = 50A = 25 cm²B = 0.3 TΔt = 250 ms

ε = mV

8.चुंबकीय क्षेत्र और प्रेरणकठिन

20 फेरों की, 10 cm × 25 cm की कुंडली, क्षेत्र के लंबवत अक्ष के परितः 0.05 T के एकसमान क्षेत्र में 3000 rpm से घूमती है। शिखर emf E₀ ज्ञात करें।

N = 20A = 10 cm × 25 cmB = 0.05 Tn = 3000 rpm

E₀ = V

9.AC प्रतिबाधा और फ़ेज़रमध्यम

C = 0.1 µF वाले एक श्रेणी RLC परिपथ को 500 Hz पर अनुनाद करना है। आवश्यक प्रेरकत्व L ज्ञात कीजिए।

f₀ = 500 HzC = 0.1 µF

L = mH

10.AC प्रतिबाधा और फ़ेज़रकठिन

एक श्रेणी RLC परिपथ 120 V (rms), 200 Hz आपूर्ति से जुड़ा है। संधारित्र पर rms वोल्टता V_C ज्ञात कीजिए।

V = 120 V (rms)f = 200 HzR = 50 ΩL = 250 mHC = 10 µF

V_C = V

3विलयन

1.कूलॉम का नियम और विद्युत क्षेत्र

उत्तर: F = 0.899 N

Coulomb’s law: two point charges attract or repel with F = k·|q₁·q₂|/r², with k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C². The field of a point charge is E = k·|q|/r², pointing away from a positive charge and towards a negative one. Forces and fields from several charges add as vectors.

छूने के बाद आवेश

q′ = (3 + −8)/2 = −2.5 µC

नया बल

F = 8.99 × 10⁹·(2.5 × 10⁻⁶)²/0.25² = 0.899 N

उत्तर

F = 0.899 N

अब दोनों गोलों पर एक ही चिह्न का आवेश है, इसलिए वे प्रतिकर्षित करते हैं।

2.कूलॉम का नियम और विद्युत क्षेत्र

उत्तर: y = 0.3342 mm

प्लेटों के बीच समय

t = L/v₀ = 0.05/5 × 10⁷ = 1 × 10⁻⁹ s

बगल की ओर त्वरण

a = e·E/m = 1.602 × 10⁻¹⁹·3800/9.109 × 10⁻³¹ = 6.683 × 10¹⁴ m/s²

विक्षेप

y = ½·a·t² = ½·6.683 × 10¹⁴·(1 × 10⁻⁹)² = 0.0003342 m = 0.3342 mm

उत्तर

y = 0.3342 mm

इलेक्ट्रॉन क्षेत्र की दिशा के विरुद्ध, धनात्मक प्लेट की ओर धकेला जाता है।

3.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक

उत्तर: I_R1 = 2.794 A

श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक: श्रेणी में हर प्रतिरोधक से समान धारा बहती है और R = R₁ + R₂ + …। समांतर में हर प्रतिरोधक पर समान वोल्टता होती है और 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …। सीढ़ी नेटवर्क को एक-एक युग्म घटाया जाता है जब तक एक समतुल्य प्रतिरोध न बचे।

दूर वाले सिरे से प्रतिरोधक जोड़ें

स्रोत से सबसे दूर वाले सिरे से शुरू करें और उसकी ओर लौटें। समान धारा वाले प्रतिरोधक श्रेणी में हैं; समान दो नोड के बीच वाले प्रतिरोधक समांतर में हैं।

R₃ + R₄ = 20 + 15 = 35 Ω

R₂ ∥ 35 = 4·35/(4+35) = 3.59 Ω

R_eq = R₁ + 3.59 = 5 + 3.59 = 8.59 Ω

स्रोत से धारा

स्रोत केवल R_eq देखता है, इसलिए ओम का नियम उसकी दी धारा देता है। यह धारा R₁ से होकर बहती है।

I_R1 = V₁/R_eq = 24/8.59 = 2.794 A

उत्तर

I_R1 = 2.794 A

4.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक

उत्तर: R_eq = 12.17 Ω

दूर वाले सिरे से प्रतिरोधक जोड़ें

R₅ + R₆ = 15 + 20 = 35 Ω

R₄ ∥ 35 = 8.936 Ω

R₃ + 8.936 = 38.94 Ω

R₂ ∥ 38.94 = 9.173 Ω

R_eq = R₁ + 9.173 = 3 + 9.173 = 12.17 Ω

उत्तर

R_eq = 12.17 Ω

5.RC और RL क्षणिक अवस्थाएँ

उत्तर: i = 0.1642 A

प्रथम-कोटि क्षणिक अवस्थाएँ: एक संधारित्र या एक प्रेरक वाले परिपथ में हर वोल्टता और धारा अपने प्रारंभिक मान से अंतिम मान तक घातांकी रूप से बदलती है: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ, जहाँ τ = RC या τ = L/R। लगभग 5τ के बाद परिपथ स्थिर हो जाता है।

समय स्थिरांक

τ = L/R = 150 mH / 15 Ω = 10 ms

धारा का क्षय

i(t) = 2·e^−25/10 = 0.1642 A

उत्तर

i = 0.1642 A

6.RC और RL क्षणिक अवस्थाएँ

उत्तर: R = 0.2824 kΩ

आवश्यक समय स्थिरांक

7.2 = 9·(1 − e^−10/τ) → τ = 10/ln(9/(9 − 7.2))

τ = 10/1.609 = 6.213 ms

प्रतिरोध

kΩ गुणा µF से मिलीसेकंड मिलते हैं।

R = τ/C = 6.213/22 = 0.2824 kΩ

उत्तर

R = 0.2824 kΩ

7.चुंबकीय क्षेत्र और प्रेरण

उत्तर: ε = 300 mV

विद्युतचुंबकीय प्रेरण: लूप से गुज़रता फ्लक्स Φ = BA·cos θ है, जहाँ θ, B और लूप के अभिलंब के बीच का कोण है। फैराडे का नियम: फ्लक्स में परिवर्तन N फेरों की कुंडली में emf = −N·dΦ/dt प्रेरित करता है, और लेंज़ का नियम कहता है कि प्रेरित धारा इस प्रकार बहती है कि उसका अपना क्षेत्र परिवर्तन का विरोध करे। क्षेत्र के आर-पार गतिमान छड़ emf = BLv देती है। ω पर घूमती कुंडली e = NBAω·sin ωt देती है, शिखर मान NBAω। स्वप्रेरकत्व: emf = −L·di/dt, जहाँ लंबी परिनालिका के लिए L = μ₀N²A/l, और संचित ऊर्जा W = ½LI² है। दो युग्मित कुंडलियाँ: emf₂ = −M·di₁/dt, जहाँ M = k√(L₁L₂)।

प्रति फेरा फ्लक्स में परिवर्तन

ΔΦ = 2·0.3·0.0025 = 0.0015 Wb

औसत emf

ε = NΔΦ/Δt = 50·0.0015/0.25 = 0.3 V

उत्तर

ε = 300 mV

8.चुंबकीय क्षेत्र और प्रेरण

उत्तर: E₀ = 7.854 V

कोणीय चाल और क्षेत्रफल

ω = 2π·3000/60 = 314.2 rad/s

A = 0.025 m²

शिखर emf

E₀ = NBAω = 20·0.05·0.025·314.2 = 7.854 V

उत्तर

E₀ = 7.854 V

9.AC प्रतिबाधा और फ़ेज़र

उत्तर: L = 1013 mH

फ़ेज़र के साथ AC परिपथ: प्रतिरोधक, प्रेरक और संधारित्र की प्रतिबाधाएँ R, jωL और 1/(jωC) हैं, जहाँ ω = 2πf। श्रेणी में प्रतिबाधाएँ प्रतिरोधों की तरह, पर सम्मिश्र संख्याओं के रूप में जुड़ती हैं। rms धारा और वोल्टता |Z| के साथ ओम के नियम का पालन करती हैं।

अनुनाद शर्त

अनुनाद पर प्रेरकीय और धारितीय प्रतिघात एक-दूसरे को निरस्त करते हैं: ωL = 1/(ωC)।

ω₀ = 2π·500 = 3142 rad/s

L = 1/(ω₀²·C) = 1/(3142²·0.1·10⁻⁶) = 1013 mH

उत्तर

L = 1013 mH

10.AC प्रतिबाधा और फ़ेज़र

उत्तर: V_C = 39.81 V

प्रतिघात

ω = 2πf = 2π·200 = 1257 rad/s

X_L = ωL = 1257·0.25 = 314.2 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(1257·10·10⁻⁶) = 79.58 Ω

प्रतिबाधा

श्रेणी में प्रतिबाधाएँ सम्मिश्र संख्याओं की तरह जुड़ती हैं: Z = R + j(X_L − X_C)।

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(50² + (234.6)²) = 239.9 Ω

धारा

श्रेणी परिपथ के हर अवयव से समान धारा बहती है।

I = V/|Z| = 120/239.9 = 0.5003 A

संधारित्र पर वोल्टता

V_C = I·X_C = 0.5003·79.58 = 39.81 V

उत्तर

V_C = 39.81 V

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