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

+3 µC인 전하와 +4 µC인 전하가 50 cm 떨어져 있다. 점 P는 두 전하를 잇는 선분 위에 있으며 첫 번째 전하로부터 30 cm 떨어져 있다. P에서 전기장의 크기 E을(를) 구하시오.

q₁ = +3 µCq₂ = +4 µCr₁ = 30 cmr₂ = 20 cm

E = N/C

2.쿨롱 법칙과 전기장어려움

+5 µC와 −5 µC의 전하가 12 cm 떨어져 있다. 점 P는 두 전하의 중점에서 6 cm 떨어진 수직 이등분선 위에 있다. P에서의 전기장 크기 E을(를) 구하시오. Use k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C².

q₁ = +5 µCq₂ = −5 µCd = 12 cmh = 6 cm

E = N/C

3.저항의 직렬·병렬보통

R₂에 흐르는 전류 I_R2을(를) 구하시오.

V₁ = 30 VR₁ = 8 ΩR₂ = 12 ΩR₃ = 3 ΩR₄ = 12 Ω

I_R2 = A

4.저항의 직렬·병렬어려움

전원 V₁이(가) 보는 합성 저항 R_eq을(를) 구하시오.

V₁ = 10 VR₁ = 20 ΩR₂ = 3 ΩR₃ = 3 ΩR₄ = 10 ΩR₅ = 12 ΩR₆ = 12 Ω

R_eq = Ω

5.RC·RL 과도 현상보통

t = 0에서 스위치가 닫히기 전에는 인덕터에 전류가 흐르지 않는다. t = 5 ms에서 인덕터 전압 v_L을(를) 구하시오.

V_s = 6 VR = 100 ΩL = 220 mHt = 5 ms

v_L = V

6.RC·RL 과도 현상어려움

t = 0에서 스위치가 닫히기 직전, 커패시터 전압은 표시된 극성으로 4 V이다. t = 100 ms에서 커패시터 전압 v_C을(를) 구하시오.

V_s = 10 VR = 1 kΩC = 47 µFv_C(0) = 4 Vt = 100 ms

v_C = V

7.자기장과 유도보통

10 cm 떨어진 긴 평행 도선 두 개에 서로 반대 방향으로 8 A와 20 A의 전류가 흐른다. 두 도선의 한가운데 점 P에서의 자기선속밀도의 크기 B을(를) 구하시오.

I₁ = 8 AI₂ = 20 Ad = 10 cmμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A

B = µT

8.자기장과 유도어려움

100 mH 인덕터의 전류가 1 ms 동안 1 A에서 2 A로 일정하게 변한다. 자체 유도 기전력의 크기 ε을(를) 구하시오.

L = 100 mH1 A → 2 AΔt = 1 ms

ε = V

9.교류 임피던스와 페이저보통

저항과 커패시터가 230 V(실효값), 200 Hz 전원에 병렬로 연결되어 있다. 실효 전류 I을(를) 구하시오.

V = 230 V (rms)f = 200 HzR = 80 ΩC = 47 µF

I = A

10.교류 임피던스와 페이저어려움

직렬 RLC 회로가 120 V (실효값), 1000 Hz 전원에 연결되어 있다. 커패시터 양단 실효 전압 V_C을(를) 구하시오.

V = 120 V (rms)f = 1000 HzR = 20 ΩL = 20 mHC = 22 µF

V_C = V

3용액

1.쿨롱 법칙과 전기장

답: E = 599333 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·3 × 10⁻⁶/0.3² = 299667 N/C

E₂ = k·4 × 10⁻⁶/0.2² = 899000 N/C

방향과 합

두 전하가 모두 양전하입니다: P에서 각 전기장은 자기 전하에서 멀어지는 방향, 즉 서로 반대 방향을 향합니다.

E = |299667 − 899000| = 599333 N/C

답

E = 599333 N/C

2.쿨롱 법칙과 전기장

답: E = 8.829 × 10⁶ N/C

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.

한 전하의 거리와 전기장

r = √(6² + 6²) = 8.485 cm

E₁ = k·5 × 10⁻⁶/0.08485² = 6.243 × 10⁶ N/C

성분

이등분선 방향의 성분은 상쇄됩니다.

E = 2·E₁·(a/r) = 2·6.243 × 10⁶·0.7071 = 8.829 × 10⁶ N/C

답

E = 8.829 × 10⁶ N/C

전기장은 양전하에서 음전하로 향하는 선에 평행합니다.

3.저항의 직렬·병렬

답: I_R2 = 1.136 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 = 3 + 12 = 15 Ω

R₂ ∥ 15 = 12·15/(12+15) = 6.667 Ω

R_eq = R₁ + 6.667 = 8 + 6.667 = 14.67 Ω

전원 전류

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

I_R1 = V₁/R_eq = 30/14.67 = 2.045 A

R₂에 흐르는 전류

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

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 30 − 2.045·8 = 13.64 V

I_R2 = V_A/R₂ = 13.64/12 = 1.136 A

답

I_R2 = 1.136 A

4.저항의 직렬·병렬

답: R_eq = 22.31 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 = 12 + 12 = 24 Ω

R₄ ∥ 24 = 7.059 Ω

R₃ + 7.059 = 10.06 Ω

R₂ ∥ 10.06 = 2.311 Ω

R_eq = R₁ + 2.311 = 20 + 2.311 = 22.31 Ω

답

R_eq = 22.31 Ω

5.RC·RL 과도 현상

답: v_L = 0.6182 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.

시정수와 최종 전류

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

τ = L/R = 220 mH / 100 Ω = 2.2 ms

i(∞) = V_s/R = 6/100 = 0.06 A

인덕터 전압

t = 0에서는 전원 전압 전체가 인덕터에 걸리고, 이후 0으로 감소합니다.

v_L(t) = V_s·e^−t/τ = 6·e^−5/2.2 = 0.6182 V

답

v_L = 0.6182 V

6.RC·RL 과도 현상

답: v_C = 9.285 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 = 10 V

τ = R·C = 1 kΩ · 47 µF = 47 ms

v_C(t) = 10 + (4 − 10)·e^−t/τ

주어진 시각의 전압

v_C(100) = 10 + (−6)·e^−100/47 = 9.285 V

답

v_C = 9.285 V

7.자기장과 유도

답: B = 112 µT

전류의 자기장: 긴 직선 도선 주위의 자기력선은 원이며(오른손 법칙) B = μ₀I/(2πr)입니다. 감은 수 N인 평평한 원형 코일의 중심에서는 B = μ₀NI/(2R)입니다. 긴 솔레노이드 안에서는 자기장이 균일하며, 반지름과 관계없이 B = μ₀nI이고 n = N/L은 1미터당 감은 수입니다. μ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A. SI 단위(미터와 암페어)로 계산하고, 여러 전원의 자기장은 벡터로 더하세요.

P에서 각 도선의 자기장

B₁ = 2 × 10⁻⁷·8/0.05 = 32 µT

B₂ = 2 × 10⁻⁷·20/0.05 = 80 µT

합치기

B = B₁ + B₂ = 112 µT

답

B = 112 µT

8.자기장과 유도

답: ε = 100 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 = 0.1·1/0.001 = 100 V

답

ε = 100 V

9.교류 임피던스와 페이저

답: I = 13.89 A

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_C = 1/(ωC) = 1/(2π·200·47·10⁻⁶) = 16.93 Ω

가지 전류

두 가지 모두 전원에 바로 연결되어 있으므로 각각 전체 전압 V를 받습니다.

I_R = V/R = 230/80 = 2.875 A

I_X = V/X_C = 230/16.93 = 13.58 A

전체 전류

저항 전류는 V와 동상이고 리액턴스 전류는 90° 위상차가 있으므로 직각삼각형의 변처럼 더해집니다.

I = √(I_R² + I_X²) = √(2.875² + 13.58²) = 13.89 A

답

I = 13.89 A

10.교류 임피던스와 페이저

답: V_C = 7.228 V

리액턴스

ω = 2πf = 2π·1000 = 6283 rad/s

X_L = ωL = 6283·0.02 = 125.7 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(6283·22·10⁻⁶) = 7.234 Ω

임피던스

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

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(20² + (118.4)²) = 120.1 Ω

전류

직렬 회로의 모든 소자에는 같은 전류가 흐릅니다.

I = V/|Z| = 120/120.1 = 0.9991 A

커패시터 전압

V_C = I·X_C = 0.9991·7.234 = 7.228 V

답

V_C = 7.228 V

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