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

+1 µC का एक आवेश और +3 µC का एक आवेश 40 cm की दूरी पर हैं। बिंदु P उनके बीच की रेखा पर, पहले आवेश से 24 cm पर स्थित है। P पर विद्युत क्षेत्र का परिमाण E ज्ञात कीजिए।

q₁ = +1 µCq₂ = +3 µCr₁ = 24 cmr₂ = 16 cm

E = N/C

2.कूलॉम का नियम और विद्युत क्षेत्रकठिन

10 g द्रव्यमान वाली दो सर्वसम छोटी गेंदें 80 cm लंबे विद्युतरोधी धागों पर एक ही बिंदु से लटकी हैं। उन्हें बराबर आवेश दिए जाते हैं और हर धागा ऊर्ध्वाधर से 10° पर ठहर जाता है। g = 9.81 m/s² लें। हर गेंद पर आवेश q nC में ज्ञात कीजिए। Use k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C².

m = 10 gL = 80 cmθ = 10°g = 9.81 m/s²

q = nC

3.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधकमध्यम

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

V₁ = 15 VR₁ = 5 ΩR₂ = 15 ΩR₃ = 5 ΩR₄ = 8 Ω

I_R1 = A

4.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधककठिन

R₂ से होकर धारा I_R2 ज्ञात कीजिए।

V₁ = 12 VR₁ = 4 ΩR₂ = 8 ΩR₃ = 5 ΩR₄ = 20 ΩR₅ = 25 ΩR₆ = 15 Ω

I_R2 = A

5.RC और RL क्षणिक अवस्थाएँमध्यम

स्रोत Vₛ, R₁ के माध्यम से संधारित्र को आवेशित करता है, और R₂, C के समांतर जुड़ा है। t = 0 पर स्विच बंद होते समय संधारित्र अनावेशित है। स्विच बंद होने के बाद परिपथ का समय स्थिरांक τ ज्ञात कीजिए।

V_s = 24 VR₁ = 6.8 kΩR₂ = 4.7 kΩC = 22 µF

τ = ms

6.RC और RL क्षणिक अवस्थाएँकठिन

t = 0 पर स्विच बंद होने से ठीक पहले संधारित्र पर दर्शाई ध्रुवता के साथ 24 V है। t = 30 ms पर संधारित्र वोल्टता v_C ज्ञात कीजिए।

V_s = 12 VR = 2.2 kΩC = 10 µFv_C(0) = 24 Vt = 30 ms

v_C = V

7.चुंबकीय क्षेत्र और प्रेरणमध्यम

20 cm लंबी धातु की छड़ पटरियों के अनुदिश 0.8 T के एकसमान क्षेत्र में, जो पृष्ठ के भीतर है, 2 m/s से फिसलती है। उसके सिरों के बीच प्रेरित emf ε ज्ञात करें।

B = 0.8 TL = 20 cmv = 2 m/s

ε = mV

8.चुंबकीय क्षेत्र और प्रेरणकठिन

एक लंबी वायु-क्रोड परिनालिका में 400 फेरे हैं, लंबाई 10 cm है और व्यास 3 cm है। इसका स्वप्रेरकत्व L ज्ञात करें।

N = 400l = 10 cm⌀ = 3 cmμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A

L = mH

9.AC प्रतिबाधा और फ़ेज़रमध्यम

C = 1 µF वाले एक श्रेणी RLC परिपथ को 200 Hz पर अनुनाद करना है। आवश्यक प्रेरकत्व L ज्ञात कीजिए।

f₀ = 200 HzC = 1 µF

L = mH

10.AC प्रतिबाधा और फ़ेज़रकठिन

एक श्रेणी RLC परिपथ में R = 5 Ω, L = 1 mH और C = 10 µF है। इसकी बैंडविड्थ B (अर्ध-शक्ति आवृत्तियों के बीच के बैंड की चौड़ाई) Hz में ज्ञात कीजिए।

R = 5 ΩL = 1 mHC = 10 µF

B = Hz

3विलयन

1.कूलॉम का नियम और विद्युत क्षेत्र

उत्तर: E = 897439 N/C

कूलॉम का नियम: दो बिंदु आवेश F = k·|q₁·q₂|/r² बल से एक-दूसरे को आकर्षित या प्रतिकर्षित करते हैं, जहाँ k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C²। बिंदु आवेश का क्षेत्र E = k·|q|/r² है, जो धनात्मक आवेश से दूर और ऋणात्मक आवेश की ओर होता है। कई आवेशों से उत्पन्न बल और क्षेत्र सदिश रूप से जुड़ते हैं।

हर आवेश का क्षेत्र

E₁ = k·1 × 10⁻⁶/0.24² = 156076 N/C

E₂ = k·3 × 10⁻⁶/0.16² = 1.054 × 10⁶ N/C

दिशाएँ और योग

दोनों आवेश धनात्मक हैं: P पर उनके क्षेत्र अपने-अपने आवेश से दूर, यानी विपरीत दिशाओं में होते हैं।

E = |156076 − 1.054 × 10⁶| = 897439 N/C

उत्तर

E = 897439 N/C

2.कूलॉम का नियम और विद्युत क्षेत्र

उत्तर: q = 385.4 nC

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.

संतुलन से विद्युत बल

तनाव का क्षैतिज भाग F को और ऊर्ध्वाधर भाग m·g को संतुलित करता है।

F = m·g·tan θ = 0.01·9.81·tan 10° = 0.0173 N

दूरी

r = 2·L·sin θ = 2·0.8·sin 10° = 0.2778 m

आवेश

F = k·q²/r² → q = r·√(F/k) = 0.2778·√(0.0173/8.99 × 10⁹) = 3.854 × 10⁻⁷ C = 385.4 nC

उत्तर

q = 385.4 nC

3.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक

उत्तर: I_R1 = 1.254 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 = 5 + 8 = 13 Ω

R₂ ∥ 13 = 15·13/(15+13) = 6.964 Ω

R_eq = R₁ + 6.964 = 5 + 6.964 = 11.96 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 = 15/11.96 = 1.254 A

उत्तर

I_R1 = 1.254 A

4.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक

उत्तर: I_R2 = 0.873 A

दूर वाले सिरे से प्रतिरोधक जोड़ें

R₅ + R₆ = 25 + 15 = 40 Ω

R₄ ∥ 40 = 13.33 Ω

R₃ + 13.33 = 18.33 Ω

R₂ ∥ 18.33 = 5.57 Ω

R_eq = R₁ + 5.57 = 4 + 5.57 = 9.57 Ω

स्रोत से धारा

I_R1 = V₁/R_eq = 12/9.57 = 1.254 A

R₂ से होकर धारा

नोड A पर वोल्टता पाने के लिए R₁ पर पात घटाएँ, जो R₂ पर वोल्टता है।

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 12 − 1.254·4 = 6.984 V

I_R2 = V_A/R₂ = 6.984/8 = 0.873 A

उत्तर

I_R2 = 0.873 A

5.RC और RL क्षणिक अवस्थाएँ

उत्तर: τ = 61.14 ms

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।

संधारित्र द्वारा देखा गया थेवेनिन तुल्य

R_th के लिए स्रोत को शॉर्ट करें; संधारित्र को हटाकर (खुला करके) वह वोल्टता ज्ञात करें जिस पर वह स्थिर होगा।

R_th = R₁ ∥ R₂ = 6.8·4.7/(6.8 + 4.7) = 2.779 kΩ

v_C(∞) = 24·4.7/(6.8 + 4.7) = 9.809 V

समय स्थिरांक

τ = R_th·C = 2.779·22 = 61.14 ms

उत्तर

τ = 61.14 ms

6.RC और RL क्षणिक अवस्थाएँ

उत्तर: v_C = 15.07 V

प्रारंभिक मान, अंतिम मान, समय स्थिरांक

संधारित्र वोल्टता अचानक नहीं बदल सकती, इसलिए वह अपने संचित मान से शुरू होकर स्रोत वोल्टता की ओर जाती है।

v_C(0) = 24 V, v_C(∞) = V_s = 12 V

τ = R·C = 2.2 kΩ · 10 µF = 22 ms

v_C(t) = 12 + (24 − 12)·e^−t/τ

दिए गए समय पर वोल्टता

v_C(30) = 12 + (12)·e^−30/22 = 15.07 V

उत्तर

v_C = 15.07 V

7.चुंबकीय क्षेत्र और प्रेरण

उत्तर: ε = 320 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)।

गतिज emf

ε = BLv = 0.8·0.2·2 = 0.32 V

उत्तर

ε = 320 mV

8.चुंबकीय क्षेत्र और प्रेरण

उत्तर: L = 1.421 mH

अनुप्रस्थ काट

A = π·(0.015)² = 0.0007069 m²

स्वप्रेरकत्व

L = μ₀N²A/l = 4π × 10⁻⁷·400²·0.0007069/0.1 = 0.001421 H = 1.421 mH

उत्तर

L = 1.421 mH

9.AC प्रतिबाधा और फ़ेज़र

उत्तर: L = 633.3 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·200 = 1257 rad/s

L = 1/(ω₀²·C) = 1/(1257²·1·10⁻⁶) = 633.3 mH

उत्तर

L = 633.3 mH

10.AC प्रतिबाधा और फ़ेज़र

उत्तर: B = 795.8 Hz

अनुनादी आवृत्ति

f₀ = 1/(2π·√(0.001·10·10⁻⁶)) = 1592 Hz

गुणता गुणक

Q अनुनाद पर प्रतिघात की तुलना प्रतिरोध से करता है: Q = ω₀L/R।

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/5)·√(0.001/(10·10⁻⁶)) = 2

बैंडविड्थ

B = f₀/Q = 1592/2 = 795.8 Hz

उत्तर

B = 795.8 Hz

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