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 60 cm की दूरी पर हैं। बिंदु P उनके बीच की रेखा पर, पहले आवेश से 15 cm पर स्थित है। P पर विद्युत क्षेत्र का परिमाण E ज्ञात कीजिए।

q₁ = +1 µCq₂ = −3 µCr₁ = 15 cmr₂ = 45 cm

E = N/C

2.कूलॉम का नियम और विद्युत क्षेत्रकठिन

तीन धनात्मक बिंदु आवेश एक समकोण त्रिभुज के शीर्षों पर हैं: q₃ = 3 µC समकोण वाले शीर्ष पर है, q₁ = 10 µC एक भुजा के अनुदिश उससे 8 cm दूर है और q₂ = 8 µC दूसरी भुजा के अनुदिश उससे 10 cm दूर है। q₃ पर नेट विद्युत बल का परिमाण F ज्ञात कीजिए।

q₁ = 10 µCq₂ = 8 µCq₃ = 3 µCr₁₃ = 8 cmr₂₃ = 10 cm

F = N

3.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधकमध्यम

R₂ से होकर धारा I_R2 ज्ञात कीजिए।

V₁ = 24 VR₁ = 20 ΩR₂ = 12 ΩR₃ = 20 ΩR₄ = 3 Ω

I_R2 = A

4.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधककठिन

R₂ से होकर धारा I_R2 ज्ञात कीजिए।

V₁ = 6 VR₁ = 6 ΩR₂ = 15 ΩR₃ = 4 ΩR₄ = 30 ΩR₅ = 3 ΩR₆ = 15 Ω

I_R2 = A

5.RC और RL क्षणिक अवस्थाएँमध्यम

प्रेरक 1 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 0.1 A तक गिरने में कितना समय लगता है? t ज्ञात कीजिए।

i(0) = 1 AR = 47 ΩL = 33 mH

t = ms

6.RC और RL क्षणिक अवस्थाएँकठिन

R₂ के आर-पार लगा स्विच लंबे समय से खुला है, इसलिए प्रेरक धारा स्थिर है। t = 0 पर स्विच बंद होता है और R₂ को शॉर्ट कर देता है। t = 10 ms पर प्रेरक धारा i ज्ञात कीजिए।

V_s = 15 VR₁ = 15 ΩR₂ = 5 ΩL = 68 mHt = 10 ms

i = A

7.चुंबकीय क्षेत्र और प्रेरणमध्यम

एक प्रोटॉन एकसमान चुंबकीय क्षेत्र में समकोण पर 2.5 × 10⁵ m/s से प्रवेश करता है और 0.2611 cm त्रिज्या के वृत्त पर चलता है। चुंबकीय फ्लक्स घनत्व B ज्ञात करें।

m = 1.673 × 10⁻²⁷ kg|q| = 1.602 × 10⁻¹⁹ Cv = 2.5 × 10⁵ m/sr = 0.2611 cm

B = T

8.चुंबकीय क्षेत्र और प्रेरणकठिन

एक ड्यूटरॉन विरामावस्था से शुरू होकर 2500 V के विभवांतर से त्वरित होता है और फिर 0.2 T के एकसमान चुंबकीय क्षेत्र में समकोण पर प्रवेश करता है। क्षेत्र में उसके पथ की त्रिज्या r ज्ञात करें।

m = 3.344 × 10⁻²⁷ kg|q| = 1.602 × 10⁻¹⁹ CV = 2500 VB = 0.2 T

r = cm

9.AC प्रतिबाधा और फ़ेज़रमध्यम

एक श्रेणी RLC परिपथ 230 V (rms), 500 Hz आपूर्ति से जुड़ा है। rms धारा I ज्ञात कीजिए।

V = 230 V (rms)f = 500 HzR = 50 ΩL = 200 mHC = 22 µF

I = A

10.AC प्रतिबाधा और फ़ेज़रकठिन

एक श्रेणी RLC परिपथ 120 V (rms), 100 Hz आपूर्ति से जुड़ा है। rms धारा I ज्ञात कीजिए।

V = 120 V (rms)f = 100 HzR = 80 ΩL = 20 mHC = 47 µF

I = A

3विलयन

1.कूलॉम का नियम और विद्युत क्षेत्र

उत्तर: E = 532741 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 × 10⁻⁶/0.15² = 399556 N/C

E₂ = k·3 × 10⁻⁶/0.45² = 133185 N/C

दिशाएँ और योग

पहला क्षेत्र धनात्मक आवेश से दूर और दूसरा ऋणात्मक आवेश की ओर है: दोनों एक ही दिशा में हैं।

E = |399556 + 133185| = 532741 N/C

उत्तर

E = 532741 N/C

2.कूलॉम का नियम और विद्युत क्षेत्र

उत्तर: F = 47.34 N

q₃ पर हर बल

F₁ = k·10·3 × 10⁻¹²/0.08² = 42.14 N

F₂ = k·8·3 × 10⁻¹²/0.1² = 21.58 N

सदिश योग

F = √(42.14² + 21.58²) = 47.34 N

उत्तर

F = 47.34 N

3.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक

उत्तर: I_R2 = 0.5656 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 + 3 = 23 Ω

R₂ ∥ 23 = 12·23/(12+23) = 7.886 Ω

R_eq = R₁ + 7.886 = 20 + 7.886 = 27.89 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 = 24/27.89 = 0.8607 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 = 24 − 0.8607·20 = 6.787 V

I_R2 = V_A/R₂ = 6.787/12 = 0.5656 A

उत्तर

I_R2 = 0.5656 A

4.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक

उत्तर: I_R2 = 0.223 A

दूर वाले सिरे से प्रतिरोधक जोड़ें

R₅ + R₆ = 3 + 15 = 18 Ω

R₄ ∥ 18 = 11.25 Ω

R₃ + 11.25 = 15.25 Ω

R₂ ∥ 15.25 = 7.562 Ω

R_eq = R₁ + 7.562 = 6 + 7.562 = 13.56 Ω

स्रोत से धारा

I_R1 = V₁/R_eq = 6/13.56 = 0.4424 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 − 0.4424·6 = 3.346 V

I_R2 = V_A/R₂ = 3.346/15 = 0.223 A

उत्तर

I_R2 = 0.223 A

5.RC और RL क्षणिक अवस्थाएँ

उत्तर: t = 1.617 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 = 33 mH / 47 Ω = 0.7021 ms

समय के लिए हल करें

0.1 = 1·e^−t/τ → t = τ·ln(1/0.1)

t = 0.7021·ln(10) = 1.617 ms

उत्तर

t = 1.617 ms

6.RC और RL क्षणिक अवस्थाएँ

उत्तर: i = 0.9725 A

प्रारंभिक मान, अंतिम मान, समय स्थिरांक

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

i(0) = 15/(15 + 5) = 0.75 A

i(∞) = 15/15 = 1 A

τ = L/R = 68/15 = 4.533 ms

i(t) = 1 + (0.75 − 1)·e^−t/τ

दिए गए समय पर धारा

i(10) = 1 + (−0.25)·e^−10/4.533 = 0.9725 A

उत्तर

i = 0.9725 A

7.चुंबकीय क्षेत्र और प्रेरण

उत्तर: B = 0.9999 T

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)।

त्रिज्या से क्षेत्र

B = mv/(|q|r) = 1.673 × 10⁻²⁷·2.5 × 10⁵/(1.602 × 10⁻¹⁹·0.002611) = 0.9999 T

उत्तर

B = 0.9999 T

8.चुंबकीय क्षेत्र और प्रेरण

उत्तर: r = 5.108 cm

त्वरण के बाद की चाल

v = √(2|q|V/m) = √(2·1.602 × 10⁻¹⁹·2500/(3.344 × 10⁻²⁷)) = 489422 m/s

क्षेत्र में त्रिज्या

r = mv/(|q|B) = 0.05108 m = 5.108 cm

उत्तर

r = 5.108 cm

संयुक्त: r = √(2mV/|q|)/B, इसलिए समान आवेश के भारी आयन बड़े वृत्तों में चलते हैं; यह समस्थानिकों को अलग करता है।

9.AC प्रतिबाधा और फ़ेज़र

उत्तर: I = 0.3734 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·500 = 3142 rad/s

X_L = ωL = 3142·0.2 = 628.3 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(3142·22·10⁻⁶) = 14.47 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 + (613.8)²) = 615.9 Ω

धारा

श्रेणी परिपथ के हर अवयव से समान धारा बहती है।

I = V/|Z| = 230/615.9 = 0.3734 A

उत्तर

I = 0.3734 A

10.AC प्रतिबाधा और फ़ेज़र

उत्तर: I = 1.45 A

प्रतिघात

ω = 2πf = 2π·100 = 628.3 rad/s

X_L = ωL = 628.3·0.02 = 12.57 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(628.3·47·10⁻⁶) = 33.86 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) = √(80² + (−21.3)²) = 82.79 Ω

धारा

श्रेणी परिपथ के हर अवयव से समान धारा बहती है।

I = V/|Z| = 120/82.79 = 1.45 A

उत्तर

I = 1.45 A

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