Fizik 2: Elektrik dan Magnetisme: pek ulang kaji kilat

Lembaran formula, langkah kaedah utama untuk setiap topik dan 10 soalan latihan, dengan penyelesaian penuh di bahagian belakang.

Soalan baharu Kembali ke kursus

Dalam tetingkap cetak, pilih “Simpan sebagai PDF” untuk menyimpan salinan pada peranti anda.

1Formula dan kaedah

Hukum Coulomb & medan elektrik

Hukum Coulomb: F = k·|q₁q₂|/r²
Medan cas titik: E = k·|q|/r²
Malar: k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C²
Daya pada cas: F = q·E

Perintang bersiri & selari

Perintang bersiri: R_eq = R₁ + R₂ + …
Perintang selari: 1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Dua secara selari: R_eq = R₁R₂ / (R₁ + R₂)
Hukum Ohm: V = I·R
Kuasa: P = V·I = I²R = V²/R

Kaedah

Mulakan di hujung rangkaian yang paling jauh daripada terminal.
Gabungkan perintang secara bersiri dengan menambahnya, dan perintang secara selari dengan 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Lukis semula litar selepas setiap langkah.
Ulang sehingga tinggal satu perintang antara terminal.

Fana RC & RL

Pemalar masa: τ = RC | τ = L/R
Sambutan: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ
Kapasitor pada AT: litar buka; v_C tidak boleh melompat
Induktor pada AT: litar pintas; i_L tidak boleh melompat
Mantap: t ≈ 5τ

Kaedah

Cari nilai awal sejurus selepas pensuisan: voltan kapasitor dan arus induktor tidak boleh melompat.
Cari nilai akhir lama selepas pensuisan: kapasitor bertindak sebagai litar buka, induktor sebagai litar pintas.
Cari pemalar masa: τ = RC atau τ = L/R, menggunakan rintangan yang dilihat oleh kapasitor atau induktor.
Gunakan x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ.

Medan magnet & aruhan

Wayar lurus panjang: B = μ₀I/(2πr)
Pusat gegelung leper: B = μ₀NI/(2R)
Solenoid panjang: B = μ₀nI, n = N/L
Malar: μ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
Daya pada wayar: F = BIL·sin θ
Daya pada cas: F = |q|vB·sin θ
Gerakan membulat: r = mv/(|q|B), T = 2πm/(|q|B)
Wayar selari: F/L = μ₀I₁I₂/(2πd)
Fluks: Φ = BA·cos θ
Hukum Faraday: ε = −N·ΔΦ/Δt
Rod bergerak: ε = BLv
Penjana: E₀ = NBAω, E_rms = E₀/√2
Aruhan: ε = L·ΔI/Δt, L = μ₀N²A/l, W = ½LI²
Kearuhan saling: ε₂ = M·di₁/dt, M = k√(L₁L₂)
Pemilih halaju dan spektrometer: v = E/B, r = √(2mV/|q|)/B

Kaedah

Tukar setiap kuantiti kepada unit SI: cm kepada m, cm² kepada m², mT dan µT kepada T.
Pilih rumus yang betul: B = μ₀I/(2πr) untuk wayar, μ₀NI/(2R) untuk pusat gegelung, μ₀nI di dalam solenoid; F = BIL·sin θ atau |q|vB·sin θ untuk daya.
Untuk aruhan, cari perubahan fluks ΔΦ = Δ(BA·cos θ) dan gunakan ε = N·ΔΦ/Δt, atau ε = BLv untuk rod yang bergerak dan NBAω untuk gegelung berputar.
Cari arah secara berasingan dengan petua tangan kanan, dan hukum Lenz untuk arus teraruh.

Impedans AU & fasor

Impedans: Z_R = R, Z_L = jωL, Z_C = 1/(jωC)
Frekuensi sudut: ω = 2πf
Magnitud dan sudut: |Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Hukum Ohm fasor: V = I·Z

Kaedah

Tukar frekuensi: ω = 2πf.
Cari setiap reaktans: X_L = ωL dan X_C = 1/(ωC).
Tambah impedans seperti perintang, dengan Z = R + jX.
Cari magnitud |Z| = √(R² + X²) dan sudut φ = atan(X/R), kemudian gunakan hukum Ohm dengan fasor.

2Soalan latihan

1.Hukum Coulomb & medan elektrikSederhana

Cas +4 µC dan cas −2 µC berjarak 50 cm. Titik P terletak pada garis antara keduanya, 20 cm daripada cas pertama. Cari magnitud medan elektrik E pada P.

q₁ = +4 µCq₂ = −2 µCr₁ = 20 cmr₂ = 30 cm

E = N/C

2.Hukum Coulomb & medan elektrikSukar

Satu elektron memasuki medan seragam antara dua plat selari bergerak selari dengannya pada 2.5 × 10⁷ m/s. Plat sepanjang 4 cm dan medan di antaranya ialah 2800 N/C. Cas elektron 1.602 × 10⁻¹⁹ C, jisim 9.109 × 10⁻³¹ kg; abaikan graviti. Sejauh mana y ia dipesongkan ke sisi apabila meninggalkan plat? Berikan jawapan dalam mm.

v₀ = 2.5 × 10⁷ m/sL = 4 cmE = 2800 N/Ce = 1.602 × 10⁻¹⁹ Cm_e = 9.109 × 10⁻³¹ kg

y = mm

3.Perintang bersiri & selariSederhana

Cari arus I_R1 yang dibekalkan oleh sumber, yang mengalir melalui R₁.

V₁ = 30 VR₁ = 3 ΩR₂ = 15 ΩR₃ = 6 ΩR₄ = 20 Ω

I_R1 = A

4.Perintang bersiri & selariSukar

Cari arus I_R1 yang dibekalkan oleh sumber, yang mengalir melalui R₁.

V₁ = 9 VR₁ = 4 ΩR₂ = 5 ΩR₃ = 5 ΩR₄ = 5 ΩR₅ = 6 ΩR₆ = 3 Ω

I_R1 = A

5.Fana RC & RLSederhana

Sumber Vₛ mengecas kapasitor melalui R₁, dan R₂ disambung selari dengan C. Kapasitor tidak bercas apabila suis ditutup pada t = 0. Cari voltan kapasitor v_C pada t = 120 ms.

V_s = 12 VR₁ = 2.2 kΩR₂ = 3.3 kΩC = 68 µFt = 120 ms

v_C = V

6.Fana RC & RLSukar

Sejurus sebelum suis ditutup pada t = 0, kapasitor menyimpan 24 V dengan polariti seperti yang ditunjukkan. Cari voltan kapasitor v_C pada t = 100 ms.

V_s = 10 VR = 4.7 kΩC = 10 µFv_C(0) = 24 Vt = 100 ms

v_C = V

7.Medan magnet & aruhanSederhana

Gelung segi empat sama bergerak ke kanan memasuki kawasan dengan medan magnet seragam yang menghala masuk ke dalam halaman. Klik arah arus teraruh dalam gelung seperti yang dilihat dalam lukisan, semasa gelung memasuki medan.

B: masuk ke dalam halamanmemasuki medan

1ikut arah jam
2lawan arah jam

8.Medan magnet & aruhanSukar

Zarah alfa melalui pemilih halaju tanpa terpesong dengan medan bersilang E = 2 × 10⁵ V/m dan B₁ = 0.05 T. Kemudian ia memasuki kawasan kedua dengan hanya medan magnet B₂ = 1 T, pada sudut tepat. Cari jejari r lintasannya di situ.

E = 2 × 10⁵ V/mB₁ = 0.05 TB₂ = 1 Tm = 6.645 × 10⁻²⁷ kg|q| = 3.204 × 10⁻¹⁹ C

r = cm

9.Impedans AU & fasorSederhana

Litar RLC bersiri disambungkan kepada bekalan 24 V (rms), 500 Hz. Cari faktor kuasa cos φ litar itu.

V = 24 V (rms)f = 500 HzR = 50 ΩL = 100 mHC = 10 µF

cos φ =

10.Impedans AU & fasorSukar

Litar RLC bersiri disambungkan kepada bekalan 50 V (rms), 500 Hz. Cari frekuensi salunan f₀ litar itu.

V = 50 V (rms)f = 500 HzR = 100 ΩL = 200 mHC = 47 µF

f₀ = Hz

3Larutan

1.Hukum Coulomb & medan elektrik

Jawapan: E = 1.099 × 10⁶ N/C

Hukum Coulomb: dua cas titik saling menarik atau menolak dengan F = k·|q₁·q₂|/r², dengan k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C². Medan cas titik ialah E = k·|q|/r², menjauhi cas positif dan menuju cas negatif. Daya dan medan daripada beberapa cas ditambah sebagai vektor.

Medan setiap cas

E₁ = k·4 × 10⁻⁶/0.2² = 899000 N/C

E₂ = k·2 × 10⁻⁶/0.3² = 199778 N/C

Arah dan hasil tambah

Medan pertama menghala menjauhi cas positif dan yang kedua menuju cas negatif: kedua-duanya menghala ke arah yang sama.

E = |899000 + 199778| = 1.099 × 10⁶ N/C

Jawapan

E = 1.099 × 10⁶ N/C

2.Hukum Coulomb & medan elektrik

Jawapan: y = 0.6303 mm

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.

Masa di antara plat

t = L/v₀ = 0.04/2.5 × 10⁷ = 1.6 × 10⁻⁹ s

Pecutan ke sisi

a = e·E/m = 1.602 × 10⁻¹⁹·2800/9.109 × 10⁻³¹ = 4.924 × 10¹⁴ m/s²

Pesongan

y = ½·a·t² = ½·4.924 × 10¹⁴·(1.6 × 10⁻⁹)² = 0.0006303 m = 0.6303 mm

Jawapan

y = 0.6303 mm

Elektron ditolak ke arah plat positif, bertentangan dengan arah medan.

3.Perintang bersiri & selari

Jawapan: I_R1 = 2.398 A

Perintang bersiri dan selari: dalam sambungan bersiri arus yang sama mengalir melalui setiap perintang dan R = R₁ + R₂ + …. Dalam sambungan selari setiap perintang mempunyai voltan yang sama dan 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Rangkaian tangga dipermudahkan sepasang demi sepasang sehingga tinggal satu rintangan setara.

Gabungkan perintang dari hujung yang jauh

Mulakan dari hujung yang paling jauh daripada sumber dan bergerak balik ke arahnya. Perintang yang membawa arus yang sama adalah bersiri; perintang merentasi dua nod yang sama adalah selari.

R₃ + R₄ = 6 + 20 = 26 Ω

R₂ ∥ 26 = 15·26/(15+26) = 9.512 Ω

R_eq = R₁ + 9.512 = 3 + 9.512 = 12.51 Ω

Arus daripada sumber

Sumber hanya melihat R_eq, jadi hukum Ohm memberikan arus yang dibekalkannya. Arus itu mengalir melalui R₁.

I_R1 = V₁/R_eq = 30/12.51 = 2.398 A

Jawapan

I_R1 = 2.398 A

4.Perintang bersiri & selari

Jawapan: I_R1 = 1.266 A

Gabungkan perintang dari hujung yang jauh

Mulakan dari hujung yang paling jauh daripada sumber dan bergerak balik ke arahnya. Perintang yang membawa arus yang sama adalah bersiri; perintang merentasi dua nod yang sama adalah selari.

R₅ + R₆ = 6 + 3 = 9 Ω

R₄ ∥ 9 = 3.214 Ω

R₃ + 3.214 = 8.214 Ω

R₂ ∥ 8.214 = 3.108 Ω

R_eq = R₁ + 3.108 = 4 + 3.108 = 7.108 Ω

Arus daripada sumber

Sumber hanya melihat R_eq, jadi hukum Ohm memberikan arus yang dibekalkannya. Arus itu mengalir melalui R₁.

I_R1 = V₁/R_eq = 9/7.108 = 1.266 A

Jawapan

I_R1 = 1.266 A

5.Fana RC & RL

Jawapan: v_C = 5.309 V

Fana peringkat pertama: dalam litar dengan satu kapasitor atau satu induktor, setiap voltan dan arus bergerak secara eksponen daripada nilai awalnya kepada nilai akhirnya: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ, dengan τ = RC atau τ = L/R. Selepas kira-kira 5τ litar telah mantap.

Setara Thévenin yang dilihat kapasitor

Pintaskan sumber untuk mencari R_th; buka kapasitor untuk mencari voltan yang akan dicapainya.

R_th = R₁ ∥ R₂ = 2.2·3.3/(2.2 + 3.3) = 1.32 kΩ

v_C(∞) = 12·3.3/(2.2 + 3.3) = 7.2 V

Pemalar masa

τ = R_th·C = 1.32·68 = 89.76 ms

Lengkung pengecasan

v_C(t) = 7.2·(1 − e^−120/89.76) = 5.309 V

Jawapan

v_C = 5.309 V

6.Fana RC & RL

Jawapan: v_C = 11.67 V

Nilai awal, nilai akhir, pemalar masa

Voltan kapasitor tidak boleh melompat, jadi ia bermula pada nilai yang tersimpan dan menuju ke voltan sumber.

v_C(0) = 24 V, v_C(∞) = V_s = 10 V

τ = R·C = 4.7 kΩ · 10 µF = 47 ms

v_C(t) = 10 + (24 − 10)·e^−t/τ

Voltan pada masa yang diberi

v_C(100) = 10 + (14)·e^−100/47 = 11.67 V

Jawapan

v_C = 11.67 V

7.Medan magnet & aruhan

Jawapan: lawan arah jam

Aruhan elektromagnet: fluks melalui gelung ialah Φ = BA·cos θ, dengan θ antara B dengan normal gelung. Hukum Faraday: perubahan fluks mengaruhkan d.g.e. = −N·dΦ/dt dalam gegelung N lilitan, dan hukum Lenz menyatakan bahawa arus teraruh mengalir supaya medannya sendiri menentang perubahan itu. Rod yang bergerak merentasi medan memberi d.g.e. = BLv. Gegelung yang berputar pada ω memberi e = NBAω·sin ωt, dengan puncak NBAω. Kearuhan kendiri: d.g.e. = −L·di/dt, dengan L = μ₀N²A/l bagi solenoid yang panjang, dan tenaga tersimpan ialah W = ½LI². Dua gegelung berganding: d.g.e.₂ = −M·di₁/dt dengan M = k√(L₁L₂).

Perubahan fluks

Fluks masuk ke dalam halaman bertambah, atau fluks keluar daripada halaman berkurang.

Medan arus teraruh

Arus teraruh menentang perubahan itu.

Medan teraruh di dalam gelung: keluar daripada halaman.

Arah arus

Petua genggaman tangan kanan: arus lawan arah jam menghasilkan medan keluar daripada halaman di dalam gelung.

lawan arah jam

Jawapan

lawan arah jam

8.Medan magnet & aruhan

Jawapan: r = 8.296 cm

Daya magnet: wayar lurus yang membawa I dalam medan B mengalami F = BIL·sin θ, dan cas yang bergerak mengalami F = |q|vB·sin θ, dengan θ ialah sudut antara arus (atau halaju) dengan B. Daya itu berserenjang dengan kedua-duanya: halakan jari tangan kanan sepanjang I atau v, lengkungkan ke arah B, dan ibu jari memberi F bagi cas positif; songsangkan bagi cas negatif. Oleh sebab F berserenjang dengan v, cas yang bergerak merentasi medan seragam bergerak dalam bulatan: |q|vB = mv²/r memberi r = mv/(|q|B) dan tempoh T = 2πm/(|q|B), yang tidak bergantung pada laju. Dua wayar selari saling menarik bagi arus dalam arah yang sama: F/L = μ₀I₁I₂/(2πd).

Laju yang dipilih

Tidak terpesong: daya elektrik qE mengimbangi daya magnet qvB.

v = E/B₁ = 2 × 10⁵/0.05 = 4 × 10⁶ m/s

Jejari dalam medan kedua

r = mv/(|q|B₂) = 0.08296 m = 8.296 cm

Jawapan

r = 8.296 cm

9.Impedans AU & fasor

Jawapan: cos φ = 0.1744

Litar AU dengan fasor: perintang, induktor dan kapasitor mempunyai impedans R, jωL dan 1/(jωC), dengan ω = 2πf. Dalam sambungan bersiri, impedans ditambah seperti rintangan, tetapi sebagai nombor kompleks. Arus dan voltan rms mengikut hukum Ohm dengan |Z|.

Reaktans

X_L = 314.2 Ω, X_C = 31.83 Ω

Impedans

|Z| = √(50² + (282.3)²) = 286.7 Ω

Faktor kuasa

cos φ = R/|Z| = 50/286.7 = 0.1744

Litar itu induktif, maka faktor kuasanya ketinggalan.

Jawapan

cos φ = 0.1744

10.Impedans AU & fasor

Jawapan: f₀ = 51.91 Hz

Salunan

Pada salunan, reaktans induktif dan kapasitif saling membatalkan: ωL = 1/(ωC). Frekuensi bekalan tidak penting.

f₀ = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0.2·47·10⁻⁶)) = 51.91 Hz

Jawapan

f₀ = 51.91 Hz

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