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

+5 µC का एक आवेश और +6 µC का एक आवेश 30 cm की दूरी पर हैं। बिंदु P उनके बीच की रेखा पर, पहले आवेश से 7.5 cm पर स्थित है। P पर विद्युत क्षेत्र का परिमाण E ज्ञात कीजिए।

q₁ = +5 µCq₂ = +6 µCr₁ = 7.5 cmr₂ = 22.5 cm

E = N/C

2.कूलॉम का नियम और विद्युत क्षेत्रकठिन

+5 µC और +5 µC के आवेश 6 cm दूर हैं। बिंदु P उनके बीच के मध्यबिंदु से 12 cm पर, लंब समद्विभाजक पर है। P पर विद्युत क्षेत्र E का परिमाण ज्ञात कीजिए। Use k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C².

q₁ = +5 µCq₂ = +5 µCd = 6 cmh = 12 cm

E = N/C

3.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधकमध्यम

R₂ से होकर धारा I_R2 ज्ञात कीजिए।

V₁ = 6 VR₁ = 4 ΩR₂ = 15 ΩR₃ = 8 ΩR₄ = 2 Ω

I_R2 = A

4.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधककठिन

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

V₁ = 10 VR₁ = 3 ΩR₂ = 12 ΩR₃ = 5 ΩR₄ = 6 ΩR₅ = 3 ΩR₆ = 3 Ω

I_R1 = A

5.RC और RL क्षणिक अवस्थाएँमध्यम

प्रेरक 3 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। धारा को 0.3 A तक गिरने में कितना समय लगता है? t ज्ञात कीजिए।

i(0) = 3 AR = 68 ΩL = 68 mH

t = ms

6.RC और RL क्षणिक अवस्थाएँकठिन

R₂ के आर-पार लगा स्विच लंबे समय से बंद है, इसलिए प्रेरक धारा स्थिर है। t = 0 पर स्विच खुलता है। t = 5 ms पर प्रेरक धारा i ज्ञात कीजिए।

V_s = 15 VR₁ = 15 ΩR₂ = 20 ΩL = 68 mHt = 5 ms

i = A

7.चुंबकीय क्षेत्र और प्रेरणमध्यम

12 cm की दूरी पर दो लंबे समांतर तारों में 20 A और 2 A धाराएँ विपरीत दिशाओं में बह रही हैं। उनके बीच प्रति मीटर लंबाई बल F/L ज्ञात करें।

I₁ = 20 AI₂ = 2 Ad = 12 cmμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A

F/L = µN/m

8.चुंबकीय क्षेत्र और प्रेरणकठिन

एक लंबी वायु-क्रोड परिनालिका में 2000 फेरे हैं, लंबाई 40 cm है और व्यास 2 cm है। जब उसमें 0.5 A धारा बहती है, तब उसके चुंबकीय क्षेत्र में संचित ऊर्जा W ज्ञात करें।

N = 2000l = 40 cm⌀ = 2 cmI = 0.5 Aμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A

W = µJ

9.AC प्रतिबाधा और फ़ेज़रमध्यम

एक श्रेणी RLC परिपथ 120 V (rms), 200 Hz आपूर्ति से जुड़ा है। rms धारा I ज्ञात कीजिए।

V = 120 V (rms)f = 200 HzR = 60 ΩL = 150 mHC = 1 µF

I = A

10.AC प्रतिबाधा और फ़ेज़रकठिन

एक श्रेणी RLC परिपथ को 5 V (rms) स्रोत से चलाया जाता है जिसकी आवृत्ति परिपथ की अनुनादी आवृत्ति पर सेट है। प्रेरक पर rms वोल्टता V_L ज्ञात कीजिए।

V = 5 V (rms)R = 10 ΩL = 200 mHC = 10 µF

V_L = V

3विलयन

1.कूलॉम का नियम और विद्युत क्षेत्र

उत्तर: E = 6.926 × 10⁶ 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·5 × 10⁻⁶/0.075² = 7.991 × 10⁶ N/C

E₂ = k·6 × 10⁻⁶/0.225² = 1.065 × 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 = |7.991 × 10⁶ − 1.065 × 10⁶| = 6.926 × 10⁶ N/C

उत्तर

E = 6.926 × 10⁶ N/C

2.कूलॉम का नियम और विद्युत क्षेत्र

उत्तर: E = 5.7 × 10⁶ N/C

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.

एक आवेश की दूरी और क्षेत्र

r = √(3² + 12²) = 12.37 cm

E₁ = k·5 × 10⁻⁶/0.1237² = 2.938 × 10⁶ N/C

घटक

आवेशों को जोड़ने वाली रेखा के अनुदिश घटक निरस्त होते हैं।

E = 2·E₁·(h/r) = 2·2.938 × 10⁶·0.9701 = 5.7 × 10⁶ N/C

उत्तर

E = 5.7 × 10⁶ N/C

क्षेत्र समद्विभाजक के अनुदिश, आवेशों से दूर की ओर है।

3.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक

उत्तर: I_R2 = 0.24 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 = 8 + 2 = 10 Ω

R₂ ∥ 10 = 15·10/(15+10) = 6 Ω

R_eq = R₁ + 6 = 4 + 6 = 10 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 = 6/10 = 0.6 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 = 6 − 0.6·4 = 3.6 V

I_R2 = V_A/R₂ = 3.6/15 = 0.24 A

उत्तर

I_R2 = 0.24 A

4.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक

उत्तर: I_R1 = 1.282 A

दूर वाले सिरे से प्रतिरोधक जोड़ें

R₅ + R₆ = 3 + 3 = 6 Ω

R₄ ∥ 6 = 3 Ω

R₃ + 3 = 8 Ω

R₂ ∥ 8 = 4.8 Ω

R_eq = R₁ + 4.8 = 3 + 4.8 = 7.8 Ω

स्रोत से धारा

I_R1 = V₁/R_eq = 10/7.8 = 1.282 A

उत्तर

I_R1 = 1.282 A

5.RC और RL क्षणिक अवस्थाएँ

उत्तर: t = 2.303 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।

समय स्थिरांक

τ = L/R = 68 mH / 68 Ω = 1 ms

समय के लिए हल करें

0.3 = 3·e^−t/τ → t = τ·ln(3/0.3)

t = 1·ln(10) = 2.303 ms

उत्तर

t = 2.303 ms

6.RC और RL क्षणिक अवस्थाएँ

उत्तर: i = 0.4722 A

प्रारंभिक मान, अंतिम मान, समय स्थिरांक

t = 0 से पहले बंद स्विच R₂ को बायपास करता है; बाद में R₁ और R₂ दोनों लूप में हैं।

i(0) = 15/15 = 1 A

i(∞) = 15/(15 + 20) = 0.4286 A

τ = L/R = 68/35 = 1.943 ms

i(t) = 0.4286 + (1 − 0.4286)·e^−t/τ

दिए गए समय पर धारा

i(5) = 0.4286 + (0.5714)·e^−5/1.943 = 0.4722 A

उत्तर

i = 0.4722 A

7.चुंबकीय क्षेत्र और प्रेरण

उत्तर: F/L = 66.67 µN/m

चुंबकीय बल: क्षेत्र B में I ले जाने वाला सीधा तार F = BIL·sin θ अनुभव करता है, और गतिमान आवेश F = |q|vB·sin θ, जहाँ θ धारा (या वेग) और B के बीच का कोण है। बल दोनों के लंबवत होता है: दाहिने हाथ की उँगलियाँ I या v की दिशा में रखें, उन्हें B की ओर मोड़ें, और अँगूठा धनात्मक आवेश के लिए F देता है; ऋणात्मक आवेश के लिए इसे उलट दें। क्योंकि F, v के लंबवत है, एकसमान क्षेत्र के आर-पार चलता आवेश वृत्त में चलता है: |q|vB = mv²/r से r = mv/(|q|B) और आवर्तकाल T = 2πm/(|q|B) मिलता है, जो चाल पर निर्भर नहीं करता। एक ही दिशा की धाराओं के लिए दो समांतर तार आकर्षित करते हैं: F/L = μ₀I₁I₂/(2πd)।

प्रति मीटर बल

F/L = μ₀I₁I₂/(2πd) = 2 × 10⁻⁷·20·2/0.12 = 66.67 µN/m

उत्तर

F/L = 66.67 µN/m

विपरीत दिशाओं की धाराएँ प्रतिकर्षित करती हैं।

8.चुंबकीय क्षेत्र और प्रेरण

उत्तर: W = 493.5 µJ

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)।

स्वप्रेरकत्व

L = μ₀N²A/l = 3.948 mH

संचित ऊर्जा

W = ½LI² = ½·0.003948·0.5² = 0.0004935 J = 493.5 µJ

उत्तर

W = 493.5 µJ

9.AC प्रतिबाधा और फ़ेज़र

उत्तर: I = 0.1966 A

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।

प्रतिघात

ω = 2πf = 2π·200 = 1257 rad/s

X_L = ωL = 1257·0.15 = 188.5 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(1257·1·10⁻⁶) = 795.8 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) = √(60² + (−607.3)²) = 610.2 Ω

धारा

श्रेणी परिपथ के हर अवयव से समान धारा बहती है।

I = V/|Z| = 120/610.2 = 0.1966 A

उत्तर

I = 0.1966 A

10.AC प्रतिबाधा और फ़ेज़र

उत्तर: V_L = 70.71 V

अनुनाद

अनुनाद पर प्रतिघात निरस्त हो जाते हैं, इसलिए प्रतिबाधा केवल R है।

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.2·10·10⁻⁶) = 707.1 rad/s

I = V/R = 5/10 = 0.5 A

प्रेरक पर वोल्टता

X_L = ω₀L = 707.1·0.2 = 141.4 Ω

V_L = I·X_L = 0.5·141.4 = 70.71 V

उत्तर

V_L = 70.71 V

यह आपूर्ति वोल्टता का Q = 14.14 गुना है।

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