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

+1 µC인 전하와 −2 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 = +1 µCq₂ = −2 µCr₁ = 7.5 cmr₂ = 2.5 cm

E = N/C

2.쿨롱 법칙과 전기장어려움

세 양의 점전하가 직각삼각형의 꼭짓점에 있다. q₃ = 1 µC는 직각인 꼭짓점에 있고, q₁ = 3 µC는 한 변을 따라 q₃에서 5 cm, q₂ = 5 µC는 다른 변을 따라 q₃에서 6 cm 떨어져 있다. q₃에 작용하는 알짜 전기력의 크기 F을(를) 구하시오.

q₁ = 3 µCq₂ = 5 µCq₃ = 1 µCr₁₃ = 5 cmr₂₃ = 6 cm

F = N

3.저항의 직렬·병렬보통

R₂에 흐르는 전류 I_R2을(를) 구하시오.

V₁ = 24 VR₁ = 3 ΩR₂ = 20 ΩR₃ = 15 ΩR₄ = 20 Ω

I_R2 = A

4.저항의 직렬·병렬어려움

전원이 공급하며 R₁에 흐르는 전류 I_R1을(를) 구하시오.

V₁ = 24 VR₁ = 4 ΩR₂ = 12 ΩR₃ = 3 ΩR₄ = 8 ΩR₅ = 20 ΩR₆ = 5 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. t = 80 ms에서 커패시터 전압 v_C을(를) 구하시오.

V_s = 10 VR₁ = 4.7 kΩR₂ = 3.3 kΩC = 68 µFt = 80 ms

v_C = V

6.RC·RL 과도 현상어려움

t = 0에서 스위치가 닫히기 직전, 커패시터 전압은 표시된 극성으로 4 V이다. t = 400 ms에서 커패시터 전압 v_C을(를) 구하시오.

V_s = 9 VR = 10 kΩC = 33 µFv_C(0) = 4 Vt = 400 ms

v_C = V

7.자기장과 유도보통

8 × 10⁶ m/s로 움직이는 알파 입자이(가) 균일한 자기장에 직각으로 들어와 반지름 165.9 cm의 원을 그리며 움직인다. 자기선속밀도 B을(를) 구하시오.

m = 6.645 × 10⁻²⁷ kg|q| = 3.204 × 10⁻¹⁹ Cv = 8 × 10⁶ m/sr = 165.9 cm

B = T

8.자기장과 유도어려움

감은 수 20, 20 cm × 5 cm인 코일이 자기장에 수직인 축을 중심으로 세기 0.5 T의 균일한 자기장 속에서 회전한다. 실효 기전력 2.221 V를 내려면 어떤 속력 n(분당 회전수)으로 돌려야 하는가?

N = 20A = 20 cm × 5 cmB = 0.5 TE_rms = 2.221 V

n = rpm

9.교류 임피던스와 페이저보통

직렬 RLC 회로가 12 V (실효값), 50 Hz 전원에 연결되어 있다. 전원에서 공급받는 유효 전력 P을(를) 구하시오.

V = 12 V (rms)f = 50 HzR = 20 ΩL = 50 mHC = 22 µF

P = W

10.교류 임피던스와 페이저어려움

직렬 RLC 회로가 50 V (실효값), 500 Hz 전원에 연결되어 있다. 실효 전류 I을(를) 구하시오.

V = 50 V (rms)f = 500 HzR = 60 ΩL = 150 mHC = 22 µF

I = A

3용액

1.쿨롱 법칙과 전기장

답: E = 3.037 × 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·1 × 10⁻⁶/0.075² = 1.598 × 10⁶ N/C

E₂ = k·2 × 10⁻⁶/0.025² = 2.877 × 10⁷ N/C

방향과 합

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

E = |1.598 × 10⁶ + 2.877 × 10⁷| = 3.037 × 10⁷ N/C

답

E = 3.037 × 10⁷ N/C

2.쿨롱 법칙과 전기장

답: F = 16.5 N

q₃에 작용하는 각 힘

F₁ = k·3·1 × 10⁻¹²/0.05² = 10.79 N

F₂ = k·5·1 × 10⁻¹²/0.06² = 12.49 N

벡터 합

F = √(10.79² + 12.49²) = 16.5 N

답

F = 16.5 N

3.저항의 직렬·병렬

답: I_R2 = 0.9711 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 = 15 + 20 = 35 Ω

R₂ ∥ 35 = 20·35/(20+35) = 12.73 Ω

R_eq = R₁ + 12.73 = 3 + 12.73 = 15.73 Ω

전원 전류

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

I_R1 = V₁/R_eq = 24/15.73 = 1.526 A

R₂에 흐르는 전류

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

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 24 − 1.526·3 = 19.42 V

I_R2 = V_A/R₂ = 19.42/20 = 0.9711 A

답

I_R2 = 0.9711 A

4.저항의 직렬·병렬

답: I_R1 = 2.619 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 = 20 + 5 = 25 Ω

R₄ ∥ 25 = 6.061 Ω

R₃ + 6.061 = 9.061 Ω

R₂ ∥ 9.061 = 5.163 Ω

R_eq = R₁ + 5.163 = 4 + 5.163 = 9.163 Ω

전원 전류

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

I_R1 = V₁/R_eq = 24/9.163 = 2.619 A

답

I_R1 = 2.619 A

5.RC·RL 과도 현상

답: v_C = 1.877 V

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 = 4.7·3.3/(4.7 + 3.3) = 1.939 kΩ

v_C(∞) = 10·3.3/(4.7 + 3.3) = 4.125 V

시정수

τ = R_th·C = 1.939·68 = 131.8 ms

충전 곡선

v_C(t) = 4.125·(1 − e^−80/131.8) = 1.877 V

답

v_C = 1.877 V

6.RC·RL 과도 현상

답: v_C = 7.512 V

초기값, 최종값, 시정수

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

v_C(0) = 4 V, v_C(∞) = V_s = 9 V

τ = R·C = 10 kΩ · 33 µF = 330 ms

v_C(t) = 9 + (4 − 9)·e^−t/τ

주어진 시각의 전압

v_C(400) = 9 + (−5)·e^−400/330 = 7.512 V

답

v_C = 7.512 V

7.자기장과 유도

답: B = 0.1 T

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).

반지름으로 구하는 자기장

B = mv/(|q|r) = 6.645 × 10⁻²⁷·8 × 10⁶/(3.204 × 10⁻¹⁹·1.659) = 0.1 T

답

B = 0.1 T

8.자기장과 유도

답: n = 299.9 rpm

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.

최대 기전력

E₀ = √2·E_rms = 3.141 V

각속도

ω = E₀/(NBA) = 3.141/(20·0.5·0.01) = 31.41 rad/s

분당 회전수

n = 60·31.41/(2π) = 299.9 rpm

답

n = 299.9 rpm

9.교류 임피던스와 페이저

답: P = 0.1691 W

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 = 15.71 Ω, X_C = 144.7 Ω

임피던스

|Z| = √(20² + (−129)²) = 130.5 Ω

유효 전력

인덕터와 커패시터는 에너지를 저장했다가 돌려줄 뿐이며, 저항이 유효 전력을 모두 흡수합니다.

I = 12/130.5 = 0.09194 A

P = I²·R = 0.09194²·20 = 0.1691 W

답

P = 0.1691 W

10.교류 임피던스와 페이저

답: I = 0.1085 A

리액턴스

ω = 2πf = 2π·500 = 3142 rad/s

X_L = ωL = 3142·0.15 = 471.2 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(3142·22·10⁻⁶) = 14.47 Ω

임피던스

직렬에서는 임피던스를 복소수로 더합니다: Z = R + j(X_L − X_C).

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(60² + (456.8)²) = 460.7 Ω

전류

직렬 회로의 모든 소자에는 같은 전류가 흐릅니다.

I = V/|Z| = 50/460.7 = 0.1085 A

답

I = 0.1085 A

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