Fizika 2: elektra ir magnetizmas: pasiruošimo paketas

Formulių lapai, pagrindiniai kiekvienos temos metodų žingsniai ir 10 uždavinių, o pilni sprendimai pateikti gale.

Nauji uždaviniai Atgal į kursą

Spausdinimo lange pasirinkite „Išsaugoti kaip PDF“, kad nuosavą kopiją išsaugotumėte savo įrenginyje.

1Formulės ir metodai

Kulono dėsnis ir elektrinis laukas

Kulono dėsnis: F = k·|q₁q₂|/r²
Taškinio krūvio laukas: E = k·|q|/r²
Konstanta: k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C²
Jėga, veikianti krūvį: F = q·E

Nuoseklūs ir lygiagretūs rezistoriai

Nuosekliai sujungti rezistoriai: R_eq = R₁ + R₂ + …
Lygiagrečiai sujungti rezistoriai: 1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Du lygiagrečiai: R_eq = R₁R₂ / (R₁ + R₂)
Omo dėsnis: V = I·R
Galia: P = V·I = I²R = V²/R

Metodas

Pradėkite nuo grandinės galo, esančio toliausiai nuo gnybtų.
Nuosekliai sujungtus rezistorius sudėkite, o lygiagrečius junkite pagal 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Po kiekvieno žingsnio perbraižykite grandinę.
Kartokite, kol tarp gnybtų liks vienas rezistorius.

RC ir RL pereinamieji procesai

Laiko konstanta: τ = RC | τ = L/R
Atsakas: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ
Kondensatorius esant nuolatinei srovei: atvira grandinė; v_C negali kisti šuoliu
Ritė esant nuolatinei srovei: trumpasis jungimas; i_L negali kisti šuoliu
Nusistovėjęs režimas: t ≈ 5τ

Metodas

Raskite pradinę vertę iškart po perjungimo: kondensatoriaus įtampa ir ritės srovė negali kisti šuoliu.
Raskite galutinę vertę praėjus ilgam laikui po perjungimo: kondensatorius veikia kaip atvira grandinė, ritė – kaip trumpasis jungimas.
Raskite laiko konstantą: τ = RC arba τ = L/R, naudodami varžą, kurią „mato“ kondensatorius ar ritė.
Naudokite x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ.

Magnetiniai laukai ir indukcija

Ilgas tiesus laidas: B = μ₀I/(2πr)
Plokščios ritės centras: B = μ₀NI/(2R)
Ilgas solenoidas: B = μ₀nI, n = N/L
Konstanta: μ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
Jėga, veikianti laidą: F = BIL·sin θ
Jėga, veikianti krūvį: F = |q|vB·sin θ
Judėjimas apskritimu: r = mv/(|q|B), T = 2πm/(|q|B)
Lygiagretūs laidai: F/L = μ₀I₁I₂/(2πd)
Srautas: Φ = BA·cos θ
Faradėjaus dėsnis: ε = −N·ΔΦ/Δt
Judantis strypas: ε = BLv
Generatorius: E₀ = NBAω, E_rms = E₀/√2
Induktyvumas: ε = L·ΔI/Δt, L = μ₀N²A/l, W = ½LI²
Abipusis induktyvumas: ε₂ = M·di₁/dt, M = k√(L₁L₂)
Greičio selektorius ir spektrometras: v = E/B, r = √(2mV/|q|)/B

Metodas

Kiekvieną dydį paverskite SI vienetais: cm į m, cm² į m², mT ir µT į T.
Pasirinkite tinkamą formulę: B = μ₀I/(2πr) laidui, μ₀NI/(2R) ritės centrui, μ₀nI solenoido viduje; F = BIL·sin θ arba |q|vB·sin θ jėgoms.
Indukcijai raskite srauto pokytį ΔΦ = Δ(BA·cos θ) ir naudokite ε = N·ΔΦ/Δt arba ε = BLv judančiam strypui ir NBAω besisukančiai ritei.
Kryptis nustatykite atskirai dešinės rankos taisyklėmis, o indukuotų srovių – Lenco dėsniu.

Kintamosios srovės pilnutinė varža ir fazoriai

Pilnutinės varžos: Z_R = R, Z_L = jωL, Z_C = 1/(jωC)
Kampinis dažnis: ω = 2πf
Modulis ir kampas: |Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Omo dėsnis fazoriams: V = I·Z

Metodas

Perskaičiuokite dažnį: ω = 2πf.
Raskite kiekvieną reaktansą: X_L = ωL ir X_C = 1/(ωC).
Impedansus sudėkite kaip rezistorius, kai Z = R + jX.
Raskite modulį |Z| = √(R² + X²) ir kampą φ = atan(X/R), tada taikykite Omo dėsnį fazoriams.

2Uždaviniai

1.Kulono dėsnis ir elektrinis laukasVidutinis

Krūvis +2 µC ir krūvis −5 µC yra 10 cm atstumu vienas nuo kito. Taškas P yra tiesėje tarp jų, 5 cm atstumu nuo pirmojo krūvio. Raskite elektrinio lauko stiprio modulį E taške P.

q₁ = +2 µCq₂ = −5 µCr₁ = 5 cmr₂ = 5 cm

E = N/C

2.Kulono dėsnis ir elektrinis laukasSunkus

+8 µC ir −8 µC krūviai yra 16 cm atstumu vienas nuo kito. Taškas P yra 5 cm nuo vidurio taško tarp jų, ant juos jungiančios atkarpos vidurio statmens. Raskite elektrinio lauko stiprio didumą E taške P. Use k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².

q₁ = +8 µCq₂ = −8 µCd = 16 cmh = 5 cm

E = N/C

3.Nuoseklūs ir lygiagretūs rezistoriaiVidutinis

Raskite ekvivalentinę varžą R_eq, kurią mato šaltinis V₁.

V₁ = 30 VR₁ = 20 ΩR₂ = 20 ΩR₃ = 15 ΩR₄ = 4 Ω

R_eq = Ω

4.Nuoseklūs ir lygiagretūs rezistoriaiSunkus

Raskite srovę I_R2 per R₂.

V₁ = 6 VR₁ = 6 ΩR₂ = 15 ΩR₃ = 12 ΩR₄ = 15 ΩR₅ = 8 ΩR₆ = 30 Ω

I_R2 = A

5.RC ir RL pereinamieji procesaiVidutinis

Kol jungiklis neužsidarė momentu t = 0, rite srovė neteka. Po kiek laiko nuo jungiklio užsidarymo srovė pasiekia 99% galutinės vertės? Raskite t.

V_s = 12 VR = 20 ΩL = 220 mH

t = ms

6.RC ir RL pereinamieji procesaiSunkus

Jungiklis ilgai buvo uždarytas, todėl grandinė yra nusistovėjusiame režime. Momentu t = 0 jungiklis atsidaro. Raskite srovę i₂ per R₂ momentu t = 400 ms.

V_s = 6 VR₁ = 10 kΩR₂ = 4,7 kΩC = 220 µFt = 400 ms

i₂ = mA

7.Magnetiniai laukai ir indukcijaVidutinis

200 vijų, 100 cm² ploto ir 8 Ω varžos ritė sudaro uždarą grandinę. Tolygus laukas, statmenas ritei, tolygiai didėja nuo 0,05 T iki 0,65 T per 200 ms. Raskite vidutinę indukuotą srovę I.

N = 200A = 100 cm²B: 0,05 T → 0,65 TΔt = 200 msR = 8 Ω

I = mA

8.Magnetiniai laukai ir indukcijaSunkus

150 vijų, 5 cm × 5 cm ritė sukasi 1200 aps./min. greičiu tolygiame 0,2 T lauke apie ašį, statmeną laukui. Raskite elektrovaros amplitudę E₀.

N = 150A = 5 cm × 5 cmB = 0,2 Tn = 1200 rpm

E₀ = V

9.Kintamosios srovės pilnutinė varža ir fazoriaiVidutinis

Nuosekli RLC grandinė prijungta prie 12 V (efektinė), 1000 Hz maitinimo. Raskite pilnutinės varžos fazės kampą φ laipsniais (teigiamas, kai srovė atsilieka nuo įtampos).

V = 12 V (rms)f = 1000 HzR = 10 ΩL = 20 mHC = 22 µF

φ = °

10.Kintamosios srovės pilnutinė varža ir fazoriaiSunkus

Nuosekli RLC grandinė prijungta prie 50 V (efektinė), 50 Hz maitinimo. Raskite efektinę įtampą V_C ant kondensatoriaus.

V = 50 V (rms)f = 50 HzR = 30 ΩL = 50 mHC = 22 µF

V_C = V

3Tirpalai

1.Kulono dėsnis ir elektrinis laukas

Atsakymas: E = 2,517 × 10⁷ N/C

Kulono dėsnis: du taškiniai krūviai traukia arba stumia vienas kitą jėga F = k·|q₁·q₂|/r², kur k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C². Taškinio krūvio lauko stipris E = k·|q|/r²; laukas nukreiptas nuo teigiamo krūvio ir į neigiamą. Kelių krūvių jėgos ir laukai sumuojami kaip vektoriai.

Kiekvieno krūvio laukas

E₁ = k·2 × 10⁻⁶/0,05² = 7,192 × 10⁶ N/C

E₂ = k·5 × 10⁻⁶/0,05² = 1,798 × 10⁷ N/C

Kryptys ir suma

Pirmasis laukas nukreiptas nuo teigiamo krūvio, antrasis – į neigiamą: abu nukreipti ta pačia kryptimi.

E = |7,192 × 10⁶ + 1,798 × 10⁷| = 2,517 × 10⁷ N/C

Atsakymas

E = 2,517 × 10⁷ N/C

2.Kulono dėsnis ir elektrinis laukas

Atsakymas: E = 1,371 × 10⁷ 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.

Vieno krūvio atstumas ir laukas

r = √(8² + 5²) = 9,434 cm

E₁ = k·8 × 10⁻⁶/0,09434² = 8,081 × 10⁶ N/C

Dedamosios

Dedamosios išilgai statmens panaikina viena kitą.

E = 2·E₁·(a/r) = 2·8,081 × 10⁶·0,848 = 1,371 × 10⁷ N/C

Atsakymas

E = 1,371 × 10⁷ N/C

Laukas nukreiptas lygiagrečiai tiesei nuo teigiamo krūvio link neigiamo.

3.Nuoseklūs ir lygiagretūs rezistoriai

Atsakymas: R_eq = 29,74 Ω

Nuoseklūs ir lygiagretūs rezistoriai: nuosekliai per kiekvieną rezistorių teka ta pati srovė ir R = R₁ + R₂ + …. Lygiagrečiai ant kiekvieno rezistoriaus ta pati įtampa ir 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Kopėčių tinklas supaprastinamas po vieną porą, kol lieka viena ekvivalentinė varža.

Junkite rezistorius nuo tolimiausio galo

Pradėkite nuo galo, esančio toliausiai nuo šaltinio, ir eikite link jo. Rezistoriai, kuriais teka ta pati srovė, sujungti nuosekliai; rezistoriai tarp tų pačių dviejų mazgų – lygiagrečiai.

R₃ + R₄ = 15 + 4 = 19 Ω

R₂ ∥ 19 = 20·19/(20+19) = 9,744 Ω

R_eq = R₁ + 9,744 = 20 + 9,744 = 29,74 Ω

Atsakymas

R_eq = 29,74 Ω

4.Nuoseklūs ir lygiagretūs rezistoriai

Atsakymas: I_R2 = 0,2404 A

Junkite rezistorius nuo tolimiausio galo

R₅ + R₆ = 8 + 30 = 38 Ω

R₄ ∥ 38 = 10,75 Ω

R₃ + 10,75 = 22,75 Ω

R₂ ∥ 22,75 = 9,04 Ω

R_eq = R₁ + 9,04 = 6 + 9,04 = 15,04 Ω

Šaltinio srovė

Šaltinis mato tik R_eq, todėl Omo dėsnis duoda jo tiekiamą srovę. Ši srovė teka per R₁.

I_R1 = V₁/R_eq = 6/15,04 = 0,3989 A

Srovė per R₂

Atimkite įtampos kritimą ant R₁ ir gausite mazgo A įtampą, kuri yra įtampa ant R₂.

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 6 − 0,3989·6 = 3,606 V

I_R2 = V_A/R₂ = 3,606/15 = 0,2404 A

Atsakymas

I_R2 = 0,2404 A

5.RC ir RL pereinamieji procesai

Atsakymas: t = 50,66 ms

Pirmos eilės pereinamieji procesai: grandinėje su vienu kondensatoriumi arba viena rite kiekviena įtampa ir srovė eksponentiškai kinta nuo pradinės iki galutinės vertės: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ, kur τ = RC arba τ = L/R. Po maždaug 5τ grandinė nusistovi.

Laiko konstanta ir galutinė srovė

Ilgai po jungiklio užsidarymo ritė elgiasi kaip trumpasis jungimas, todėl galutinę srovę lemia tik R.

τ = L/R = 220 mH / 20 Ω = 11 ms

i(∞) = V_s/R = 12/20 = 0,6 A

Išreiškite laiką

0,99 = 1 − e^−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,99)

t = −11·ln(0,01) = 50,66 ms

Atsakymas

t = 50,66 ms

6.RC ir RL pereinamieji procesai

Atsakymas: i₂ = 0,2772 mA

Pradinė kondensatoriaus įtampa

Nusistovėjusiame režime kondensatorius yra atvira grandinė, todėl R₁ ir R₂ sudaro įtampos daliklį. Atsidarius jungikliui, kondensatoriaus įtampa negali pasikeisti šuoliu.

v_C(0) = 6·4,7/(10 + 4,7) = 1,918 V

Laiko konstanta atsidarius jungikliui

τ = R₂·C = 4,7·220 = 1034 ms

Išsikrovimas

v_C(t) = 1,918·e^−400/1034 = 1,303 V

i₂ = v_C/R₂ = 1,303/4,7 = 0,2772 mA

Atsakymas

i₂ = 0,2772 mA

7.Magnetiniai laukai ir indukcija

Atsakymas: I = 750 mA

Elektromagnetinė indukcija: srautas per kontūrą yra Φ = BA·cos θ, kur θ yra kampas tarp B ir kontūro normalės. Faradėjaus dėsnis: srauto pokytis N vijų ritėje indukuoja elektrovarą = −N·dΦ/dt, o Lenco dėsnis sako, kad indukuota srovė teka taip, jog jos pačios laukas priešinasi pokyčiui. Strypas, judantis skersai lauko, sukuria elektrovarą = BLv. Ritė, besisukanti kampiniu greičiu ω, sukuria e = NBAω·sin ωt, amplitudė NBAω. Savaiminė indukcija: elektrovara = −L·di/dt, ilgam solenoidui L = μ₀N²A/l, o sukaupta energija W = ½LI². Dvi susietos ritės: elektrovara₂ = −M·di₁/dt, kur M = k√(L₁L₂).

Srauto pokytis vienai vijai

ΔΦ = (0,65 − 0,05)·0,01 = 0,006 Wb

Vidutinė elektrovara

ε = NΔΦ/Δt = 200·0,006/0,2 = 6 V

Srovė

I = ε/R = 6/8 = 0,75 A

Atsakymas

I = 750 mA

8.Magnetiniai laukai ir indukcija

Atsakymas: E₀ = 9,425 V

Kampinis greitis ir plotas

ω = 2π·1200/60 = 125,7 rad/s

A = 0,0025 m²

Elektrovaros amplitudė

E₀ = NBAω = 150·0,2·0,0025·125,7 = 9,425 V

Atsakymas

E₀ = 9,425 V

9.Kintamosios srovės pilnutinė varža ir fazoriai

Atsakymas: φ = 85,17 °

Kintamosios srovės grandinės ir fazoriai: rezistorių, ričių ir kondensatorių pilnutinės varžos yra R, jωL ir 1/(jωC), kur ω = 2πf. Nuosekliai pilnutinės varžos sumuojamos kaip varžos, tik kompleksiniais skaičiais. Efektinės srovė ir įtampa tenkina Omo dėsnį su |Z|.

Reaktyviosios varžos

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

Pilnutinė varža

Nuosekliai pilnutinės varžos sudedamos kaip kompleksiniai skaičiai: Z = R + j(X_L − X_C).

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(10² + (118,4)²) = 118,9 Ω

Fazės kampas

φ = arctan((X_L − X_C)/R) = arctan(118,4/10) = 85,17°

Atsakymas

φ = 85,17°

10.Kintamosios srovės pilnutinė varža ir fazoriai

Atsakymas: V_C = 54,63 V

Reaktyviosios varžos

ω = 2πf = 2π·50 = 314,2 rad/s

X_L = ωL = 314,2·0,05 = 15,71 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(314,2·22·10⁻⁶) = 144,7 Ω

Pilnutinė varža

Nuosekliai pilnutinės varžos sudedamos kaip kompleksiniai skaičiai: Z = R + j(X_L − X_C).

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(30² + (−129)²) = 132,4 Ω

Srovė

Visais nuoseklios grandinės elementais teka ta pati srovė.

I = V/|Z| = 50/132,4 = 0,3776 A

Įtampa ant kondensatoriaus

V_C = I·X_C = 0,3776·144,7 = 54,63 V

Atsakymas

V_C = 54,63 V

ExamProblems · examproblems.com/courses/physics-2-electricity-and-magnetism