물리학 2: 전기와 자기: 벼락치기 팩

공식 모음, 모든 주제의 핵심 풀이 단계, 연습 문제 10개가 들어 있으며 전체 풀이는 맨 뒤에 있습니다.

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1공식과 풀이 방법

쿨롱 법칙과 전기장

쿨롱 법칙: F = k·|q₁q₂|/r²
점전하의 전기장: E = k·|q|/r²
상수: k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C²
전하가 받는 힘: F = q·E

저항의 직렬·병렬

저항의 직렬 연결: R_eq = R₁ + R₂ + …
저항의 병렬 연결: 1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂ + …
두 저항의 병렬: R_eq = R₁R₂ / (R₁ + R₂)
옴의 법칙: V = I·R
전력: P = V·I = I²R = V²/R

방법

단자에서 가장 먼 회로망 끝에서 시작하세요.
직렬 저항은 더하고, 병렬 저항은 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …로 합성하세요.
단계마다 회로를 다시 그리세요.
단자 사이에 저항이 하나 남을 때까지 반복하세요.

RC·RL 과도 현상

시정수: τ = RC | τ = L/R
응답: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ
직류에서의 커패시터: 개방; v_C는 갑자기 변할 수 없음
직류에서의 인덕터: 단락; i_L은 갑자기 변할 수 없음
정상 상태 값: t ≈ 5τ

방법

스위칭 직후의 초깃값을 구하세요. 커패시터 전압과 인덕터 전류는 갑자기 변할 수 없습니다.
스위칭 후 충분히 지난 뒤의 최종값을 구하세요. 커패시터는 개방 회로, 인덕터는 단락 회로처럼 동작합니다.
커패시터나 인덕터에서 본 저항을 이용해 시정수 τ = RC 또는 τ = L/R을 구하세요.
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ를 쓰세요.

자기장과 유도

긴 직선 도선: B = μ₀I/(2πr)
평평한 코일의 중심: B = μ₀NI/(2R)
긴 솔레노이드: B = μ₀nI, n = N/L
상수: μ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
도선에 작용하는 힘: F = BIL·sin θ
전하가 받는 힘: F = |q|vB·sin θ
원운동: r = mv/(|q|B), T = 2πm/(|q|B)
평행한 도선: F/L = μ₀I₁I₂/(2πd)
선속: Φ = BA·cos θ
패러데이 법칙: ε = −N·ΔΦ/Δt
움직이는 막대: ε = BLv
발전기: E₀ = NBAω, E_rms = E₀/√2
인덕턴스: ε = L·ΔI/Δt, L = μ₀N²A/l, W = ½LI²
상호 인덕턴스: ε₂ = M·di₁/dt, M = k√(L₁L₂)
속도 선택기와 질량 분석기: v = E/B, r = √(2mV/|q|)/B

방법

모든 양을 SI 단위로 바꾸세요: cm를 m로, cm²를 m²로, mT와 µT를 T로.
올바른 공식을 고르세요: 도선은 B = μ₀I/(2πr), 코일의 중심은 μ₀NI/(2R), 솔레노이드 안은 μ₀nI이며, 힘은 F = BIL·sin θ 또는 |q|vB·sin θ입니다.
유도에서는 선속의 변화 ΔΦ = Δ(BA·cos θ)를 구해 ε = N·ΔΦ/Δt를 쓰고, 움직이는 막대에는 ε = BLv, 회전하는 코일에는 NBAω를 쓰세요.
방향은 오른손 법칙으로, 유도 전류는 렌츠 법칙으로 따로 구하세요.

교류 임피던스와 페이저

임피던스: Z_R = R, Z_L = jωL, Z_C = 1/(jωC)
각주파수: ω = 2πf
크기와 위상각: |Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
페이저 옴의 법칙: V = I·Z

방법

주파수를 바꾸세요: ω = 2πf.
각 리액턴스를 구하세요: X_L = ωL, X_C = 1/(ωC).
임피던스는 Z = R + jX로 놓고 저항처럼 합성하세요.
크기 |Z| = √(R² + X²)와 각 φ = atan(X/R)을 구한 다음 페이저로 옴의 법칙을 쓰세요.

2연습 문제

1.쿨롱 법칙과 전기장보통

똑같은 작은 금속구 두 개의 전하가 +2 µC와 −4 µC이다. 두 구를 접촉시킨 뒤 다시 15 cm 떨어뜨려 놓는다. 이제 두 구 사이의 힘의 크기 F을(를) 구하시오. Use k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C².

q₁ = +2 µCq₂ = −4 µCr = 15 cm

F = N

2.쿨롱 법칙과 전기장어려움

+4 µC와 +4 µC의 전하가 6 cm 떨어져 있다. 점 P는 두 전하의 중점에서 4 cm 떨어진 수직 이등분선 위에 있다. P에서의 전기장 크기 E을(를) 구하시오. Use k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C².

q₁ = +4 µCq₂ = +4 µCd = 6 cmh = 4 cm

E = N/C

3.저항의 직렬·병렬보통

전원 V₁이(가) 보는 합성 저항 R_eq을(를) 구하시오.

V₁ = 18 VR₁ = 20 ΩR₂ = 10 ΩR₃ = 8 ΩR₄ = 4 Ω

R_eq = Ω

4.저항의 직렬·병렬어려움

R₂에 흐르는 전류 I_R2을(를) 구하시오.

V₁ = 36 VR₁ = 20 ΩR₂ = 2 ΩR₃ = 4 ΩR₄ = 25 ΩR₅ = 25 ΩR₆ = 25 Ω

I_R2 = A

5.RC·RL 과도 현상보통

t = 0에서 스위치가 닫히기 전에는 인덕터에 전류가 흐르지 않는다. t = 5 ms에서 인덕터에 저장된 에너지 W을(를) mJ로 구하시오.

V_s = 5 VR = 22 ΩL = 68 mHt = 5 ms

W = mJ

6.RC·RL 과도 현상어려움

t = 0에서 스위치가 닫히기 직전, 커패시터 전압은 표시된 극성으로 8 V이다. t = 75 ms에서 커패시터 전압 v_C을(를) 구하시오.

V_s = 12 VR = 10 kΩC = 10 µFv_C(0) = 8 Vt = 75 ms

v_C = V

7.자기장과 유도보통

전자이(가) 세기 2 mT의 균일한 자기장에 수직으로 1 × 10⁶ m/s로 움직인다. 원형 경로의 반지름 r을(를) 구하시오.

m = 9.109 × 10⁻³¹ kg|q| = 1.602 × 10⁻¹⁹ Cv = 1 × 10⁶ m/sB = 2 mT

r = cm

8.자기장과 유도어려움

10 mH 인덕터의 전류가 5 ms 동안 3.5 A에서 2 A로 일정하게 변한다. 자체 유도 기전력의 크기 ε을(를) 구하시오.

L = 10 mH3.5 A → 2 AΔt = 5 ms

ε = V

9.교류 임피던스와 페이저보통

C = 47 µF인 직렬 RLC 회로가 5000 Hz에서 공진해야 한다. 필요한 인덕턴스 L을(를) 구하시오.

f₀ = 5000 HzC = 47 µF

L = mH

10.교류 임피던스와 페이저어려움

저항 R₁이(가) R₂와(과) 커패시터 C의 병렬 조합과 직렬로 연결되어 24 V(실효값), 60 Hz 전원에 연결되어 있다. 임피던스의 크기 |Z|을(를) 구하시오.

V = 24 V (rms)f = 60 HzR₁ = 15 ΩR₂ = 150 ΩC = 47 µF

|Z| = Ω

3용액

1.쿨롱 법칙과 전기장

답: F = 0.3996 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.

접촉 후의 전하

q′ = (2 + −4)/2 = −1 µC

새 힘

F = 8.99 × 10⁹·(1 × 10⁻⁶)²/0.15² = 0.3996 N

답

F = 0.3996 N

이제 두 구의 부호가 같으므로 서로 밀어냅니다.

2.쿨롱 법칙과 전기장

답: E = 2.301 × 10⁷ N/C

한 전하의 거리와 전기장

r = √(3² + 4²) = 5 cm

E₁ = k·4 × 10⁻⁶/0.05² = 1.438 × 10⁷ N/C

성분

전하를 잇는 선 방향의 성분은 상쇄됩니다.

E = 2·E₁·(h/r) = 2·1.438 × 10⁷·0.8 = 2.301 × 10⁷ N/C

답

E = 2.301 × 10⁷ N/C

전기장은 이등분선을 따라 전하에서 멀어지는 방향을 향합니다.

3.저항의 직렬·병렬

답: R_eq = 25.45 Ω

직렬과 병렬 저항: 직렬에서는 각 저항에 같은 전류가 흐르고 R = R₁ + R₂ + …. 병렬에서는 각 저항에 같은 전압이 걸리고 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. 사다리 회로는 하나의 합성 저항이 남을 때까지 한 쌍씩 줄입니다.

먼 쪽 끝부터 저항 합치기

전원에서 가장 먼 끝에서 시작해 전원 쪽으로 돌아옵니다. 같은 전류가 흐르는 저항은 직렬, 같은 두 마디 사이의 저항은 병렬입니다.

R₃ + R₄ = 8 + 4 = 12 Ω

R₂ ∥ 12 = 10·12/(10+12) = 5.455 Ω

R_eq = R₁ + 5.455 = 20 + 5.455 = 25.45 Ω

답

R_eq = 25.45 Ω

4.저항의 직렬·병렬

답: I_R2 = 1.504 A

먼 쪽 끝부터 저항 합치기

전원에서 가장 먼 끝에서 시작해 전원 쪽으로 돌아옵니다. 같은 전류가 흐르는 저항은 직렬, 같은 두 마디 사이의 저항은 병렬입니다.

R₅ + R₆ = 25 + 25 = 50 Ω

R₄ ∥ 50 = 16.67 Ω

R₃ + 16.67 = 20.67 Ω

R₂ ∥ 20.67 = 1.824 Ω

R_eq = R₁ + 1.824 = 20 + 1.824 = 21.82 Ω

전원 전류

전원은 R_eq만 보므로 옴의 법칙으로 전원이 내보내는 전류를 구합니다. 이 전류는 R₁에 흐릅니다.

I_R1 = V₁/R_eq = 36/21.82 = 1.65 A

R₂에 흐르는 전류

R₁의 전압 강하를 빼면 마디 A의 전압, 즉 R₂ 양단 전압이 됩니다.

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 36 − 1.65·20 = 3.008 V

I_R2 = V_A/R₂ = 3.008/2 = 1.504 A

답

I_R2 = 1.504 A

5.RC·RL 과도 현상

답: W = 1.129 mJ

1차 과도 현상: 커패시터나 인덕터가 하나인 회로에서 모든 전압과 전류는 초기값에서 최종값으로 지수적으로 변합니다: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ, τ = RC 또는 τ = L/R. 약 5τ 뒤에 회로가 정상 상태가 됩니다.

시정수와 최종 전류

스위치를 닫고 오래 지나면 인덕터는 단락처럼 동작하므로 최종 전류는 R로만 정해집니다.

τ = L/R = 68 mH / 22 Ω = 3.091 ms

i(∞) = V_s/R = 5/22 = 0.2273 A

주어진 시각의 전류

i(t) = 0.2273·(1 − e^−5/3.091) = 0.1822 A

저장된 에너지

W = ½·L·i² = ½·68·0.1822² = 1.129 mJ

답

W = 1.129 mJ

6.RC·RL 과도 현상

답: v_C = 10.11 V

초기값, 최종값, 시정수

커패시터 전압은 갑자기 변할 수 없으므로 저장된 값에서 시작해 전원 전압으로 향합니다.

v_C(0) = 8 V, v_C(∞) = V_s = 12 V

τ = R·C = 10 kΩ · 10 µF = 100 ms

v_C(t) = 12 + (8 − 12)·e^−t/τ

주어진 시각의 전압

v_C(75) = 12 + (−4)·e^−75/100 = 10.11 V

답

v_C = 10.11 V

7.자기장과 유도

답: r = 0.2843 cm

자기력: 자기장 B 속에서 전류 I가 흐르는 직선 도선은 F = BIL·sin θ의 힘을, 움직이는 전하는 F = |q|vB·sin θ의 힘을 받습니다. θ는 전류(또는 속도)와 B 사이의 각입니다. 힘은 둘 모두에 수직입니다. 오른손 손가락을 I나 v 방향으로 향하고 B 쪽으로 구부리면 엄지가 양전하에 작용하는 F를 가리키고, 음전하는 반대입니다. F가 v에 수직이므로 균일한 자기장을 가로질러 움직이는 전하는 원운동을 합니다: |q|vB = mv²/r에서 r = mv/(|q|B)이고 주기 T = 2πm/(|q|B)는 속력에 의존하지 않습니다. 평행한 두 도선은 전류가 같은 방향이면 서로 끌어당깁니다: F/L = μ₀I₁I₂/(2πd).

힘의 평형

자기력은 항상 속도에 수직이므로 경로를 원으로 휘게 합니다.

|q|vB = mv²/r → r = mv/(|q|B)

반지름

r = 9.109 × 10⁻³¹·1 × 10⁶/(1.602 × 10⁻¹⁹·0.002) = 0.002843 m = 0.2843 cm

답

r = 0.2843 cm

8.자기장과 유도

답: ε = 3 V

전자기 유도: 고리를 지나는 선속은 Φ = BA·cos θ이며, θ는 B와 고리의 법선 사이의 각입니다. 패러데이 법칙: 선속이 변하면 감은 수 N인 코일에 기전력 = −N·dΦ/dt가 유도되고, 렌츠 법칙에 따르면 유도 전류는 자신의 자기장이 그 변화를 방해하도록 흐릅니다. 자기장을 가로질러 움직이는 막대는 기전력 = BLv를 줍니다. ω로 회전하는 코일은 e = NBAω·sin ωt를 주며 최댓값은 NBAω입니다. 자체 인덕턴스: 기전력 = −L·di/dt이고 긴 솔레노이드에서는 L = μ₀N²A/l이며, 저장된 에너지는 W = ½LI²입니다. 결합된 두 코일: 기전력₂ = −M·di₁/dt이고 M = k√(L₁L₂)입니다.

자체 유도 기전력

기전력은 전류의 변화를 방해하므로(렌츠) 부호는 ΔI와 반대이고, 크기는 L·|ΔI|/Δt입니다.

ε = L·ΔI/Δt = 0.01·1.5/0.005 = 3 V

답

ε = 3 V

9.교류 임피던스와 페이저

답: L = 0.02156 mH

페이저를 이용한 교류 회로: 저항, 인덕터, 커패시터의 임피던스는 R, jωL, 1/(jωC)이며 ω = 2πf입니다. 직렬에서는 임피던스를 저항처럼 더하되 복소수로 계산합니다. 실효 전류와 전압은 |Z|를 쓴 옴의 법칙을 따릅니다.

공진 조건

공진에서는 유도성 리액턴스와 용량성 리액턴스가 상쇄됩니다: ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·5000 = 31416 rad/s

L = 1/(ω₀²·C) = 1/(31416²·47·10⁻⁶) = 0.02156 mH

답

L = 0.02156 mH

10.교류 임피던스와 페이저

답: |Z| = 59.78 Ω

리액턴스

X_C = 1/(2π·60·47·10⁻⁶) = 56.44 Ω

병렬 조합

분자와 분모에 켤레 복소수를 곱해 Z_p를 실수부와 허수부로 나누세요.

Z_p = R₂·(−jX_C)/(R₂ − jX_C) = (R₂·X_C² − jR₂²·X_C)/(R₂² + X_C²)

Z_p = 18.6 − j49.44 Ω

전체 임피던스

Z = 15 + 18.6 − j49.44 = 33.6 − j49.44 Ω

|Z| = √(33.6² + 49.44²) = 59.78 Ω

답

|Z| = 59.78 Ω

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