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

Kaedah

  1. Mulakan di hujung rangkaian yang paling jauh daripada terminal.
  2. Gabungkan perintang secara bersiri dengan menambahnya, dan perintang secara selari dengan 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
  3. Lukis semula litar selepas setiap langkah.
  4. 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; vC tidak boleh melompat
Induktor pada AT
litar pintas; iL tidak boleh melompat
Mantap
t ≈ 5τ

Kaedah

  1. Cari nilai awal sejurus selepas pensuisan: voltan kapasitor dan arus induktor tidak boleh melompat.
  2. Cari nilai akhir lama selepas pensuisan: kapasitor bertindak sebagai litar buka, induktor sebagai litar pintas.
  3. Cari pemalar masa: τ = RC atau τ = L/R, menggunakan rintangan yang dilihat oleh kapasitor atau induktor.
  4. 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, Erms = 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

  1. Tukar setiap kuantiti kepada unit SI: cm kepada m, cm² kepada m², mT dan µT kepada T.
  2. 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.
  3. 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.
  4. Cari arah secara berasingan dengan petua tangan kanan, dan hukum Lenz untuk arus teraruh.

Impedans AU & fasor

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

Kaedah

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

2Soalan latihan

1.Hukum Coulomb & medan elektrikSederhana
++4 µC++8 µCP20 cm

Cas +4 µC dan cas +8 µC berjarak 20 cm. Titik P terletak pada garis antara keduanya, 5 cm daripada cas pertama. Cari magnitud medan elektrik E pada P.

q1 = +4 µCq2 = +8 µCr1 = 5 cmr2 = 15 cm
E = N/C
2.Hukum Coulomb & medan elektrikSukar
+ + + + + +− − − − − −e⁻1.5 × 10⁷ m/s6 cmE = 4800 N/C

Satu elektron memasuki medan seragam antara dua plat selari bergerak selari dengannya pada 1.5 × 10⁷ m/s. Plat sepanjang 6 cm dan medan di antaranya ialah 4800 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 = 1.5 × 10⁷ m/sL = 6 cmE = 4800 N/Ce = 1.602 × 10⁻¹⁹ Cme = 9.109 × 10⁻³¹ kg
y = mm
3.Perintang bersiri & selariSederhana
R1​ = 4 ΩIR1​R3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩAR4​20 ΩB

Cari arus IR1 yang dibekalkan oleh sumber, yang mengalir melalui R1.

V1 = 6 VR1 = 4 ΩR2 = 6 ΩR3 = 10 ΩR4 = 20 Ω
IR1 = A
4.Perintang bersiri & selariSukar
R1​ = 20 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​30 VR2​25 ΩAR4​15 ΩBR6​6 Ω

Cari rintangan setara Req yang dilihat oleh sumber V1.

V1 = 30 VR1 = 20 ΩR2 = 25 ΩR3 = 4 ΩR4 = 15 ΩR5 = 30 ΩR6 = 6 Ω
Req = Ω
5.Fana RC & RLSederhana
+−Vs​10 Vt = 0R = 20 ΩL47 mHi(t)

Induktor tidak membawa arus sebelum suis ditutup pada t = 0. Cari arus i pada t = 5 ms.

Vs = 10 VR = 20 ΩL = 47 mHt = 5 ms
i = A
6.Fana RC & RLSukar
+−Vs​20 Vt = 0R = 3.3 kΩC220 µF+−vC​vC​(0) = 5 V

Sejurus sebelum suis ditutup pada t = 0, kapasitor menyimpan 5 V dengan polariti seperti yang ditunjukkan. Cari voltan kapasitor vC pada t = 300 ms.

Vs = 20 VR = 3.3 kΩC = 220 µFvC(0) = 5 Vt = 300 ms
vC = V
7.Medan magnet & aruhanSederhana
nBA = 10 cm², N = 500B: 0.1 → 0.9 T

Gegelung 500 lilitan, luas 10 cm² dan rintangan 10 Ω membentuk litar tertutup. Medan seragam yang berserenjang dengan gegelung meningkat secara sekata daripada 0.1 T kepada 0.9 T dalam 100 ms. Cari arus teraruh purata I.

N = 500A = 10 cm²B: 0.1 T → 0.9 TΔt = 100 msR = 10 Ω
I = mA
8.Medan magnet & aruhanSukar
l = 15 cmN = 300, ⌀ 2.5 cm

Solenoid teras udara yang panjang mempunyai 300 lilitan, panjang 15 cm dan diameter 2.5 cm. Cari kearuhan kendirinya L.

N = 300l = 15 cm⌀ = 2.5 cmμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
L = µH
9.Impedans AU & fasorSederhana
120 V60 HzR = 10 ΩL = 250 mHC = 47 µFI

Litar RLC bersiri disambungkan kepada bekalan 120 V (rms), 60 Hz. Cari kuasa nyata P yang diambil daripada bekalan.

V = 120 V (rms)f = 60 HzR = 10 ΩL = 250 mHC = 47 µF
P = W
10.Impedans AU & fasorSukar
12 V100 HzR1​ = 20 ΩR2​ = 80 ΩC = 10 µFI

Perintang R1 disambung secara siri dengan gabungan selari R2 dan kapasitor C, merentasi bekalan 12 V (rms), 100 Hz. Cari arus rms I.

V = 12 V (rms)f = 100 HzR1 = 20 ΩR2 = 80 ΩC = 10 µF
I = A

3Larutan

1.Hukum Coulomb & medan elektrik

Jawapan: E = 1.119 × 10⁷ 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 × 10⁻⁶/0.05² = 1.438 × 10⁷ N/C
E2 = k·8 × 10⁻⁶/0.15² = 3.196 × 10⁶ N/C

Arah dan hasil tambah

Kedua-dua cas adalah positif: pada P medannya menghala menjauhi setiap cas, jadi dalam arah bertentangan.

E = |1.438 × 10⁷ − 3.196 × 10⁶| = 1.119 × 10⁷ N/C

Jawapan

E = 1.119 × 10⁷ N/C
2.Hukum Coulomb & medan elektrik

Jawapan: y = 6.753 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 = 0.06/1.5 × 10⁷ = 4 × 10⁻⁹ s

Pecutan ke sisi

a = e·E/m = 1.602 × 10⁻¹⁹·4800/9.109 × 10⁻³¹ = 8.442 × 10¹⁴ m/s²

Pesongan

y = ½·a·t² = ½·8.442 × 10¹⁴·(4 × 10⁻⁹)² = 0.006753 m = 6.753 mm

Jawapan

y = 6.753 mm

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

3.Perintang bersiri & selari

Jawapan: IR1 = 0.6667 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.

R1​ = 4 ΩR3​ = 10 Ω+−V1​6 VR2​6 ΩAR4​20 ΩB

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 = 10 + 20 = 30 Ω
R2 ∥ 30 = 6·30/(6+30) = 5 Ω
Req = R1 + 5 = 4 + 5 = 9 Ω

Arus daripada sumber

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

IR1 = V1/Req = 6/9 = 0.6667 A

Jawapan

IR1 = 0.6667 A
4.Perintang bersiri & selari

Jawapan: Req = 29.21 Ω

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.

R1​ = 20 ΩR3​ = 4 ΩR5​ = 30 Ω+−V1​30 VR2​25 ΩAR4​15 ΩBR6​6 Ω

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 = 30 + 6 = 36 Ω
R4 ∥ 36 = 10.59 Ω
R3 + 10.59 = 14.59 Ω
R2 ∥ 14.59 = 9.212 Ω
Req = R1 + 9.212 = 20 + 9.212 = 29.21 Ω

Jawapan

Req = 29.21 Ω
5.Fana RC & RL

Jawapan: i = 0.4404 A

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.

Pemalar masa dan arus akhir

Lama selepas suis ditutup, induktor berkelakuan seperti litar pintas, jadi arus akhir ditentukan oleh R sahaja.

τ = L/R = 47 mH / 20 Ω = 2.35 ms
i(∞) = Vs/R = 10/20 = 0.5 A

Arus pada masa yang diberi

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0.5·(1 − e−5/2.35) = 0.4404 A

Jawapan

i = 0.4404 A
6.Fana RC & RL

Jawapan: vC = 10.08 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.

Nilai awal, nilai akhir, pemalar masa

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

vC(0) = 5 V, vC(∞) = Vs = 20 V
τ = R·C = 3.3 kΩ · 220 µF = 726 ms
vC(t) = 20 + (5 − 20)·e−t/τ

Voltan pada masa yang diberi

vC(300) = 20 + (−15)·e−300/726 = 10.08 V

Jawapan

vC = 10.08 V
7.Medan magnet & aruhan

Jawapan: I = 400 mA

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 bagi setiap lilitan

ΔΦ = (0.9 − 0.1)·0.001 = 0.0008 Wb

D.g.e. purata

ε = NΔΦ/Δt = 500·0.0008/0.1 = 4 V

Arus

I = ε/R = 4/10 = 0.4 A

Jawapan

I = 400 mA
8.Medan magnet & aruhan

Jawapan: L = 370.1 µH

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).

Keratan rentas

A = π·(0.0125)² = 0.0004909 m²

Kearuhan kendiri

L = μ₀N²A/l = 4π × 10⁻⁷·300²·0.0004909/0.15 = 0.0003701 H = 370.1 µH

Jawapan

L = 370.1 µH
9.Impedans AU & fasor

Jawapan: P = 94.14 W

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

XL = 94.25 Ω, XC = 56.44 Ω

Impedans

|Z| = √(10² + (37.81)²) = 39.11 Ω

Kuasa nyata

Induktor dan kapasitor hanya menyimpan dan mengembalikan tenaga; perintang menyerap semua kuasa nyata.

I = 120/39.11 = 3.068 A
P = I²·R = 3.068²·10 = 94.14 W

Jawapan

P = 94.14 W
10.Impedans AU & fasor

Jawapan: I = 0.1336 A

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

XC = 1/(2π·100·10·10⁻⁶) = 159.2 Ω

Gabungan selari

Darabkan atas dan bawah dengan konjugat kompleks untuk memisahkan Zp kepada bahagian nyata dan khayal.

Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 63.86 − j32.1 Ω

Jumlah impedans

Z = 20 + 63.86 − j32.1 = 83.86 − j32.1 Ω
|Z| = √(83.86² + 32.1²) = 89.8 Ω

Arus

I = V/|Z| = 12/89.8 = 0.1336 A

Jawapan

I = 0.1336 A

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