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

세 점전하가 한 직선 위에 있다. 왼쪽에 −10 µC, 거기서 20 cm 떨어진 오른쪽에 +3 µC, 그 사이 왼쪽 전하에서 15 cm인 곳에 −10 µC가 있다. 가운데 전하에 작용하는 알짜 전기력의 크기 F을(를) 구하시오. Use k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C².

q_L = −10 µCq_R = +3 µCq_M = −10 µCr_L = 15 cmr_R = 5 cm

F = N

2.쿨롱 법칙과 전기장어려움

세 양의 점전하가 직각삼각형의 꼭짓점에 있다. q₃ = 2 µC는 직각인 꼭짓점에 있고, q₁ = 2 µC는 한 변을 따라 q₃에서 10 cm, q₂ = 10 µC는 다른 변을 따라 q₃에서 4 cm 떨어져 있다. q₃에 작용하는 알짜 전기력의 크기 F을(를) 구하시오.

q₁ = 2 µCq₂ = 10 µCq₃ = 2 µCr₁₃ = 10 cmr₂₃ = 4 cm

F = N

3.저항의 직렬·병렬보통

전원 V₁이(가) 보는 합성 저항 R_eq을(를) 구하시오.

V₁ = 9 VR₁ = 10 ΩR₂ = 20 ΩR₃ = 20 ΩR₄ = 12 Ω

R_eq = Ω

4.저항의 직렬·병렬어려움

전원 V₁이(가) 보는 합성 저항 R_eq을(를) 구하시오.

V₁ = 12 VR₁ = 12 ΩR₂ = 20 ΩR₃ = 30 ΩR₄ = 12 ΩR₅ = 2 ΩR₆ = 5 Ω

R_eq = Ω

5.RC·RL 과도 현상보통

인덕터에 2.5 A의 정상 전류가 흐른다. t = 0에 스위치가 R을 통한 루프를 닫고 전원이 제거되어, 인덕터 전류는 R을 통해 감쇠한다. t = 1 ms에서 R 양단의 전압 v_R을(를) 구하시오.

i(0) = 2.5 AR = 68 ΩL = 10 mHt = 1 ms

v_R = V

6.RC·RL 과도 현상어려움

t = 0에서 스위치가 닫히기 직전, 커패시터 전압은 표시된 극성으로 5 V이다. v_C이(가) 7.1 V에 도달하는 데 걸리는 시간은? t을(를) 구하시오.

V_s = 12 VR = 4.7 kΩC = 68 µFv_C(0) = 5 V

t = ms

7.자기장과 유도보통

원형 고리가 종이 속으로을(를) 향하는 균일한 자기장 속에 놓여 있다. 자기장의 세기가 증가하고 있다. 그림에서 보이는 고리의 유도 전류 방향을 클릭하세요.

B: 종이 속으로dB/dt > 0

1시계 방향
2시계 반대 방향

8.자기장과 유도어려움

감은 수 50인 짧은 코일이 감은 수 2000, 길이 20 cm, 지름 5 cm인 긴 솔레노이드의 가운데에 촘촘히 감겨 있다. 솔레노이드의 전류가 200 A/s로 변한다. 짧은 코일에 유도되는 기전력 ε을(를) 구하시오.

N₁ = 2000N₂ = 50l = 20 cm⌀ = 5 cmdi/dt = 200 A/sμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A

ε = mV

9.교류 임피던스와 페이저보통

직렬 RLC 회로가 120 V (실효값), 100 Hz 전원에 연결되어 있다. 임피던스의 위상각 φ을(를) 도 단위로 구하시오 (전류가 전압보다 뒤질 때 양).

V = 120 V (rms)f = 100 HzR = 40 ΩL = 200 mHC = 100 µF

φ = °

10.교류 임피던스와 페이저어려움

직렬 RLC 회로가 12 V (실효값), 200 Hz 전원에 연결되어 있다. 커패시터 양단 실효 전압 V_C을(를) 구하시오.

V = 12 V (rms)f = 200 HzR = 20 ΩL = 100 mHC = 100 µF

V_C = V

3용액

1.쿨롱 법칙과 전기장

답: F = 147.8 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.

각 전하에 의한 힘

오른쪽이 양입니다.

F_L = +k·10·10 × 10⁻¹²/0.15² = 39.96 N

F_R = +k·3·10 × 10⁻¹²/0.05² = 107.9 N

알짜힘

F = 39.96 + (107.9) = 147.8 N → |F| = 147.8 N

답

F = 147.8 N

알짜힘은 오른쪽을 향합니다.

2.쿨롱 법칙과 전기장

답: F = 112.4 N

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.

q₃에 작용하는 각 힘

F₁ = k·2·2 × 10⁻¹²/0.1² = 3.596 N

F₂ = k·10·2 × 10⁻¹²/0.04² = 112.4 N

벡터 합

F = √(3.596² + 112.4²) = 112.4 N

답

F = 112.4 N

3.저항의 직렬·병렬

답: R_eq = 22.31 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 = 20 + 12 = 32 Ω

R₂ ∥ 32 = 20·32/(20+32) = 12.31 Ω

R_eq = R₁ + 12.31 = 10 + 12.31 = 22.31 Ω

답

R_eq = 22.31 Ω

4.저항의 직렬·병렬

답: R_eq = 24.65 Ω

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 = 2 + 5 = 7 Ω

R₄ ∥ 7 = 4.421 Ω

R₃ + 4.421 = 34.42 Ω

R₂ ∥ 34.42 = 12.65 Ω

R_eq = R₁ + 12.65 = 12 + 12.65 = 24.65 Ω

답

R_eq = 24.65 Ω

5.RC·RL 과도 현상

답: v_R = 0.1893 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.

시정수

τ = L/R = 10 mH / 68 Ω = 0.1471 ms

전류의 감쇠

i(t) = 2.5·e^−1/0.1471 = 0.002784 A

v_R = R·i = 68·0.002784 = 0.1893 V

답

v_R = 0.1893 V

6.RC·RL 과도 현상

답: t = 114 ms

초기값, 최종값, 시정수

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

v_C(0) = 5 V, v_C(∞) = V_s = 12 V

τ = R·C = 4.7 kΩ · 68 µF = 319.6 ms

v_C(t) = 12 + (5 − 12)·e^−t/τ

시간에 대해 풀기

7.1 = 12 + (−7)·e^−t/τ → e^−t/τ = (7.1 − 12)/(5 − 12) = 0.7

t = τ·ln((5 − 12)/(7.1 − 12)) = 319.6·ln(1.429) = 114 ms

답

t = 114 ms

7.자기장과 유도

답: 시계 반대 방향

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.

선속의 변화

종이 속으로 향하는 선속이 증가하거나 종이 밖으로 향하는 선속이 감소합니다.

유도 전류의 자기장

유도 전류는 변화를 방해합니다.

고리 안의 유도 자기장: 종이 밖으로.

전류의 방향

오른손 법칙: 시계 반대 방향 전류는 고리 안에 종이 밖으로 향하는 자기장을 만듭니다.

시계 반대 방향

답

시계 반대 방향

8.자기장과 유도

답: ε = 246.7 mV

상호 인덕턴스

M = μ₀N₁N₂A/l = 4π × 10⁻⁷·2000·50·0.001963/0.2 = 1.234 mH

유도 기전력

ε = M·di/dt = 0.001234·200 = 246.7 mV

답

ε = 246.7 mV

9.교류 임피던스와 페이저

답: φ = 69.97 °

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

ω = 2πf = 2π·100 = 628.3 rad/s

X_L = ωL = 628.3·0.2 = 125.7 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(628.3·100·10⁻⁶) = 15.92 Ω

임피던스

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

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(40² + (109.7)²) = 116.8 Ω

위상각

φ = arctan((X_L − X_C)/R) = arctan(109.7/40) = 69.97°

답

φ = 69.97°

10.교류 임피던스와 페이저

답: V_C = 0.7998 V

리액턴스

ω = 2πf = 2π·200 = 1257 rad/s

X_L = ωL = 1257·0.1 = 125.7 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(1257·100·10⁻⁶) = 7.958 Ω

임피던스

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

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(20² + (117.7)²) = 119.4 Ω

전류

직렬 회로의 모든 소자에는 같은 전류가 흐릅니다.

I = V/|Z| = 12/119.4 = 0.1005 A

커패시터 전압

V_C = I·X_C = 0.1005·7.958 = 0.7998 V

답

V_C = 0.7998 V

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