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

+4 µC인 전하와 −5 µC인 전하가 10 cm 떨어져 있다. 점 P는 두 전하를 잇는 선분 위에 있으며 첫 번째 전하로부터 7.5 cm 떨어져 있다. P에서 전기장의 크기 E을(를) 구하시오.

q₁ = +4 µCq₂ = −5 µCr₁ = 7.5 cmr₂ = 2.5 cm

E = N/C

2.쿨롱 법칙과 전기장어려움

세 양의 점전하가 직각삼각형의 꼭짓점에 있다. q₃ = 2 µC는 직각인 꼭짓점에 있고, q₁ = 2 µC는 한 변을 따라 q₃에서 5 cm, q₂ = 2 µC는 다른 변을 따라 q₃에서 8 cm 떨어져 있다. q₃에 작용하는 알짜 전기력의 크기 F을(를) 구하시오.

q₁ = 2 µCq₂ = 2 µCq₃ = 2 µCr₁₃ = 5 cmr₂₃ = 8 cm

F = N

3.저항의 직렬·병렬보통

전원이 공급하며 R₁에 흐르는 전류 I_R1을(를) 구하시오.

V₁ = 18 VR₁ = 12 ΩR₂ = 10 ΩR₃ = 8 ΩR₄ = 4 Ω

I_R1 = A

4.저항의 직렬·병렬어려움

전원이 공급하며 R₁에 흐르는 전류 I_R1을(를) 구하시오.

V₁ = 18 VR₁ = 5 ΩR₂ = 12 ΩR₃ = 6 ΩR₄ = 5 ΩR₅ = 12 ΩR₆ = 2 Ω

I_R1 = A

5.RC·RL 과도 현상보통

전원 Vₛ가 R₁을 통해 커패시터를 충전하며, R₂는 C와 병렬로 연결되어 있습니다. t = 0에서 스위치가 닫힐 때 커패시터는 충전되어 있지 않다. 스위치가 닫힌 뒤 회로의 시정수 τ을(를) 구하시오.

V_s = 20 VR₁ = 1 kΩR₂ = 10 kΩC = 22 µF

τ = ms

6.RC·RL 과도 현상어려움

t = 0에서 스위치가 닫히기 직전, 커패시터 전압은 표시된 극성으로 2 V이다. v_C이(가) 11.1 V에 도달하는 데 걸리는 시간은? t을(를) 구하시오.

V_s = 15 VR = 2.2 kΩC = 220 µFv_C(0) = 2 V

t = ms

7.자기장과 유도보통

길이 20 cm인 금속 막대가 종이 속으로 향하는 세기 0.2 T의 균일한 자기장 속에서 두 레일을 따라 8 m/s로 미끄러진다. 막대 양 끝 사이에 유도되는 기전력 ε을(를) 구하시오.

B = 0.2 TL = 20 cmv = 8 m/s

ε = mV

8.자기장과 유도어려움

감은 수 150, 20 cm × 15 cm인 코일이 자기장에 수직인 축을 중심으로 세기 0.4 T의 균일한 자기장 속에서 회전한다. 실효 기전력 199.9 V를 내려면 어떤 속력 n(분당 회전수)으로 돌려야 하는가?

N = 150A = 20 cm × 15 cmB = 0.4 TE_rms = 199.9 V

n = rpm

9.교류 임피던스와 페이저보통

직렬 RLC 회로가 230 V (실효값), 60 Hz 전원에 연결되어 있다. 회로의 역률 cos φ을(를) 구하시오.

V = 230 V (rms)f = 60 HzR = 30 ΩL = 200 mHC = 47 µF

cos φ =

10.교류 임피던스와 페이저어려움

저항 R₁이(가) R₂와(과) 커패시터 C의 병렬 조합과 직렬로 연결되어 12 V(실효값), 500 Hz 전원에 연결되어 있다. 실효 전류 I을(를) 구하시오.

V = 12 V (rms)f = 500 HzR₁ = 40 ΩR₂ = 100 ΩC = 10 µF

I = A

3용액

1.쿨롱 법칙과 전기장

답: E = 7.831 × 10⁷ N/C

쿨롱 법칙: 두 점전하는 F = k·|q₁·q₂|/r²의 힘으로 서로 끌어당기거나 밀어냅니다. 여기서 k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C²입니다. 점전하의 전기장은 E = k·|q|/r²이며, 양전하에서는 바깥쪽을, 음전하에서는 전하 쪽을 향합니다. 여러 전하가 만드는 힘과 전기장은 벡터로 더해집니다.

각 전하의 전기장

E₁ = k·4 × 10⁻⁶/0.075² = 6.393 × 10⁶ N/C

E₂ = k·5 × 10⁻⁶/0.025² = 7.192 × 10⁷ N/C

방향과 합

첫 번째 전기장은 양전하에서 멀어지는 방향, 두 번째 전기장은 음전하 쪽을 향하므로 두 전기장의 방향이 같습니다.

E = |6.393 × 10⁶ + 7.192 × 10⁷| = 7.831 × 10⁷ N/C

답

E = 7.831 × 10⁷ N/C

2.쿨롱 법칙과 전기장

답: F = 15.44 N

q₃에 작용하는 각 힘

F₁ = k·2·2 × 10⁻¹²/0.05² = 14.38 N

F₂ = k·2·2 × 10⁻¹²/0.08² = 5.619 N

벡터 합

F = √(14.38² + 5.619²) = 15.44 N

답

F = 15.44 N

3.저항의 직렬·병렬

답: I_R1 = 1.031 A

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 = 12 + 5.455 = 17.45 Ω

전원 전류

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

I_R1 = V₁/R_eq = 18/17.45 = 1.031 A

답

I_R1 = 1.031 A

4.저항의 직렬·병렬

답: I_R1 = 1.738 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 = 12 + 2 = 14 Ω

R₄ ∥ 14 = 3.684 Ω

R₃ + 3.684 = 9.684 Ω

R₂ ∥ 9.684 = 5.359 Ω

R_eq = R₁ + 5.359 = 5 + 5.359 = 10.36 Ω

전원 전류

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

I_R1 = V₁/R_eq = 18/10.36 = 1.738 A

답

I_R1 = 1.738 A

5.RC·RL 과도 현상

답: τ = 20 ms

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.

커패시터에서 본 테브난 등가 회로

R_th를 구하려면 전원을 단락하고, 최종 전압을 구하려면 커패시터를 개방하세요.

R_th = R₁ ∥ R₂ = 1·10/(1 + 10) = 0.9091 kΩ

v_C(∞) = 20·10/(1 + 10) = 18.18 V

시정수

τ = R_th·C = 0.9091·22 = 20 ms

답

τ = 20 ms

6.RC·RL 과도 현상

답: t = 582.7 ms

초기값, 최종값, 시정수

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

v_C(0) = 2 V, v_C(∞) = V_s = 15 V

τ = R·C = 2.2 kΩ · 220 µF = 484 ms

v_C(t) = 15 + (2 − 15)·e^−t/τ

시간에 대해 풀기

11.1 = 15 + (−13)·e^−t/τ → e^−t/τ = (11.1 − 15)/(2 − 15) = 0.3

t = τ·ln((2 − 15)/(11.1 − 15)) = 484·ln(3.333) = 582.7 ms

답

t = 582.7 ms

7.자기장과 유도

답: ε = 320 mV

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.

운동 기전력

ε = BLv = 0.2·0.2·8 = 0.32 V

답

ε = 320 mV

8.자기장과 유도

답: n = 1500 rpm

최대 기전력

E₀ = √2·E_rms = 282.7 V

각속도

ω = E₀/(NBA) = 282.7/(150·0.4·0.03) = 157.1 rad/s

분당 회전수

n = 60·157.1/(2π) = 1500 rpm

답

n = 1500 rpm

9.교류 임피던스와 페이저

답: cos φ = 0.8453

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.

리액턴스

X_L = 75.4 Ω, X_C = 56.44 Ω

임피던스

|Z| = √(30² + (18.96)²) = 35.49 Ω

역률

cos φ = R/|Z| = 30/35.49 = 0.8453

회로가 유도성이므로 역률은 지상입니다.

답

cos φ = 0.8453

10.교류 임피던스와 페이저

답: I = 0.2103 A

리액턴스

X_C = 1/(2π·500·10·10⁻⁶) = 31.83 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 = 9.2 − j28.9 Ω

전체 임피던스

Z = 40 + 9.2 − j28.9 = 49.2 − j28.9 Ω

|Z| = √(49.2² + 28.9²) = 57.06 Ω

전류

I = V/|Z| = 12/57.06 = 0.2103 A

답

I = 0.2103 A

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