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
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।
1सूत्र और विधियाँ
श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक
- श्रेणी में प्रतिरोध
- Req = R1 + R2 + …
- समांतर में प्रतिरोध
- 1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
- दो समांतर में
- Req = 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; vC अचानक नहीं बदल सकता
- DC पर प्रेरक
- शॉर्ट सर्किट; iL 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, Erms = 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
- ZR = R, ZL = jωL, ZC = 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: XL = ωL और XC = 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 −8 µC और −1 µC के आवेश हैं। उन्हें एक-दूसरे से छुआकर फिर 5 cm दूर रख दिया जाता है। अब उनके बीच बल F का परिमाण ज्ञात कीजिए। Use k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C².
q1 = −8 µCq2 = −1 µCr = 5 cm
F = N
2.कूलॉम का नियम और विद्युत क्षेत्रकठिन
1 g द्रव्यमान वाली दो सर्वसम छोटी गेंदें 50 cm लंबे विद्युतरोधी धागों पर एक ही बिंदु से लटकी हैं। उन्हें बराबर आवेश दिए जाते हैं और हर धागा ऊर्ध्वाधर से 5° 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 = 1 gL = 50 cmθ = 5°g = 9.81 m/s²
q = nC
3.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधकमध्यम
स्रोत V1 द्वारा देखा गया समतुल्य प्रतिरोध Req ज्ञात कीजिए।
V1 = 9 VR1 = 3 ΩR2 = 6 ΩR3 = 8 ΩR4 = 5 Ω
Req = Ω
4.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधककठिन
R2 से होकर धारा IR2 ज्ञात कीजिए।
V1 = 12 VR1 = 10 ΩR2 = 12 ΩR3 = 10 ΩR4 = 10 ΩR5 = 4 ΩR6 = 30 Ω
IR2 = A
5.RC और RL क्षणिक अवस्थाएँमध्यम
प्रेरक 1.5 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 = 1 ms पर धारा i ज्ञात कीजिए।
i(0) = 1.5 AR = 50 ΩL = 33 mHt = 1 ms
i = A
6.RC और RL क्षणिक अवस्थाएँकठिन
एक टाइमर t = 0 पर 15 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 9.48 V तक पहुँचे, शुरुआत के ठीक 200 ms बाद। R = 1 kΩ के साथ आवश्यक धारिता C ज्ञात कीजिए।
Vs = 15 VVth = 9.48 VT = 200 msR = 1 kΩ
C = µF
7.चुंबकीय क्षेत्र और प्रेरणमध्यम
एक ऐल्फ़ा कण, 0.4 T के एकसमान चुंबकीय क्षेत्र में वृत्त पर चलता है। एक परिक्रमा में लगने वाला समय T ज्ञात करें।
m = 6.645 × 10⁻²⁷ kg|q| = 3.204 × 10⁻¹⁹ CB = 0.4 T
T = ns
8.चुंबकीय क्षेत्र और प्रेरणकठिन
स्वप्रेरकत्व 50 mH और 50 mH वाली दो कुंडलियों का युग्मन गुणांक 0.8 है। पहली कुंडली में धारा 50 A/s की दर से बदलती है। दूसरी कुंडली में प्रेरित emf ε ज्ञात करें।
L1 = 50 mHL2 = 50 mHk = 0.8di/dt = 50 A/s
ε = V
9.AC प्रतिबाधा और फ़ेज़रमध्यम
एक श्रेणी RLC परिपथ 12 V (rms), 1000 Hz आपूर्ति से जुड़ा है। प्रतिबाधा का कलान्तर कोण φ डिग्री में ज्ञात कीजिए (धनात्मक जब धारा वोल्टता से पीछे हो)।
V = 12 V (rms)f = 1000 HzR = 100 ΩL = 150 mHC = 1 µF
φ = °
10.AC प्रतिबाधा और फ़ेज़रकठिन
एक श्रेणी RLC परिपथ 120 V (rms), 200 Hz आपूर्ति से जुड़ा है। परिपथ की अनुनादी आवृत्ति f0 ज्ञात कीजिए।
V = 120 V (rms)f = 200 HzR = 25 ΩL = 150 mHC = 47 µF
f0 = Hz
3विलयन
1.कूलॉम का नियम और विद्युत क्षेत्र
उत्तर: F = 72.82 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′ = (−8 + −1)/2 = −4.5 µC
नया बल
F = 8.99 × 10⁹·(4.5 × 10⁻⁶)²/0.05² = 72.82 N
उत्तर
F = 72.82 N
अब दोनों गोलों पर एक ही चिह्न का आवेश है, इसलिए वे प्रतिकर्षित करते हैं।
2.कूलॉम का नियम और विद्युत क्षेत्र
उत्तर: q = 26.93 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 = 0.001·9.81·tan 5° = 0.0008583 N
दूरी
r = 2·L·sin θ = 2·0.5·sin 5° = 0.08716 m
आवेश
F = k·q²/r² → q = r·√(F/k) = 0.08716·√(0.0008583/8.99 × 10⁹) = 2.693 × 10⁻⁸ C = 26.93 nC
उत्तर
q = 26.93 nC
3.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक
उत्तर: Req = 7.105 Ω
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 + 5 = 13 Ω
R2 ∥ 13 = 6·13/(6+13) = 4.105 Ω
Req = R1 + 4.105 = 3 + 4.105 = 7.105 Ω
उत्तर
Req = 7.105 Ω
4.श्रेणी और समांतर प्रतिरोधक
उत्तर: IR2 = 0.4171 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।
R5 + R6 = 4 + 30 = 34 Ω
R4 ∥ 34 = 7.727 Ω
R3 + 7.727 = 17.73 Ω
R2 ∥ 17.73 = 7.156 Ω
Req = R1 + 7.156 = 10 + 7.156 = 17.16 Ω
स्रोत से धारा
स्रोत केवल Req देखता है, इसलिए ओम का नियम उसकी दी धारा देता है। यह धारा R₁ से होकर बहती है।
IR1 = V1/Req = 12/17.16 = 0.6995 A
R₂ से होकर धारा
नोड A पर वोल्टता पाने के लिए R₁ पर पात घटाएँ, जो R₂ पर वोल्टता है।
VA = V1 − IR1·R1 = 12 − 0.6995·10 = 5.005 V
IR2 = VA/R2 = 5.005/12 = 0.4171 A
उत्तर
IR2 = 0.4171 A
5.RC और RL क्षणिक अवस्थाएँ
उत्तर: i = 0.3297 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 = 33 mH / 50 Ω = 0.66 ms
धारा का क्षय
i(t) = 1.5·e−1/0.66 = 0.3297 A
उत्तर
i = 0.3297 A
6.RC और RL क्षणिक अवस्थाएँ
उत्तर: C = 200.1 µF
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।
आवश्यक समय स्थिरांक
9.48 = 15·(1 − e−200/τ) → τ = 200/ln(15/(15 − 9.48))
τ = 200/0.9997 = 200.1 ms
धारिता
kΩ गुणा µF से मिलीसेकंड मिलते हैं।
C = τ/R = 200.1/1 = 200.1 µF
उत्तर
C = 200.1 µF
7.चुंबकीय क्षेत्र और प्रेरण
उत्तर: T = 325.8 ns
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)।
वृत्तीय गति का आवर्तकाल
तेज़ कण बड़े वृत्त में चलता है, इसलिए प्रति चक्कर समय वही रहता है।
T = 2πm/(|q|B) = 2π·6.645 × 10⁻²⁷/(3.204 × 10⁻¹⁹·0.4) = 325.8 ns
उत्तर
T = 325.8 ns
चाल की आवश्यकता नहीं है: इसीलिए साइक्लोट्रॉन एक ही स्थिर आवृत्ति उपयोग कर सकता है।
8.चुंबकीय क्षेत्र और प्रेरण
उत्तर: ε = 2 V
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)।
अन्योन्य प्रेरकत्व
M = 0.8·√(50·50) = 40 mH
प्रेरित emf
ε = M·di/dt = 0.04·50 = 2 V
उत्तर
ε = 2 V
9.AC प्रतिबाधा और फ़ेज़र
उत्तर: φ = 82.72 °
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·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0.15 = 942.5 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·1·10⁻⁶) = 159.2 Ω
प्रतिबाधा
श्रेणी में प्रतिबाधाएँ सम्मिश्र संख्याओं की तरह जुड़ती हैं: Z = R + j(XL − XC)।
|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(100² + (783.3)²) = 789.7 Ω
कलान्तर कोण
φ = arctan((XL − XC)/R) = arctan(783.3/100) = 82.72°
उत्तर
φ = 82.72°
10.AC प्रतिबाधा और फ़ेज़र
उत्तर: f0 = 59.94 Hz
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
अनुनाद पर प्रेरकीय और धारितीय प्रतिघात एक-दूसरे को निरस्त करते हैं: ωL = 1/(ωC)। आपूर्ति आवृत्ति मायने नहीं रखती।
f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0.15·47·10⁻⁶)) = 59.94 Hz
उत्तर
f0 = 59.94 Hz
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