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++4 µC−−8 µC30 cm + 10 cm

Tiga cas titik terletak pada garis lurus: +4 µC di sebelah kiri, −8 µC di sebelah kanan sejauh 40 cm, dan +4 µC di antara kedua-duanya, 30 cm dari cas kiri. Cari magnitud daya elektrik bersih F pada cas tengah. Use k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C².

qL = +4 µCqR = −8 µCqM = +4 µCrL = 30 cmrR = 10 cm
F = N
2.Hukum Coulomb & medan elektrikSukar
++P2 × 3 cm3 cm+8 µC+8 µC

Cas +8 µC dan +8 µC berjarak 6 cm antara satu sama lain. Titik P terletak 3 cm dari titik tengah antara kedua-duanya, pada pembahagi dua sama serenjang. Cari magnitud medan elektrik E pada P. Use k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C².

q1 = +8 µCq2 = +8 µCd = 6 cmh = 3 cm
E = N/C
3.Perintang bersiri & selariSederhana
R1​ = 6 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩAR4​4 ΩB

Cari rintangan setara Req yang dilihat oleh sumber V1.

V1 = 15 VR1 = 6 ΩR2 = 8 ΩR3 = 3 ΩR4 = 4 Ω
Req = Ω
4.Perintang bersiri & selariSukar
R1​ = 20 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩIR2​AR4​8 ΩBR6​8 Ω

Cari arus IR2 melalui R2.

V1 = 30 VR1 = 20 ΩR2 = 4 ΩR3 = 6 ΩR4 = 8 ΩR5 = 10 ΩR6 = 8 Ω
IR2 = A
5.Fana RC & RLSederhana
+−Vs​9 Vt = 0R = 100 ΩL22 mHi(t)

Induktor tidak membawa arus sebelum suis ditutup pada t = 0. Cari arus i pada t = 1 ms.

Vs = 9 VR = 100 ΩL = 22 mHt = 1 ms
i = A
6.Fana RC & RLSukar
+−Vs​5 Vt = 0R = 6.8 kΩC22 µF+−vC​vC​(0) = 3 V

Sejurus sebelum suis ditutup pada t = 0, kapasitor menyimpan 3 V dengan polariti seperti yang ditunjukkan. Berapa lama masa yang diambil untuk vC mencapai 3.8 V? Cari t.

Vs = 5 VR = 6.8 kΩC = 22 µFvC(0) = 3 V
t = ms
7.Medan magnet & aruhanSederhana
nBA = 40 cm², N = 20B = 0.1 T

Gegelung 20 lilitan mempunyai luas 40 cm². Gegelung dibalikkan (diputar melalui 180°) dalam medan seragam 0.1 T yang berserenjang dengan satahnya, dalam 50 ms. Cari d.g.e. teraruh purata ε.

N = 20A = 40 cm²B = 0.1 TΔt = 50 ms
ε = mV
8.Medan magnet & aruhanSukar
L1​ = 80 mH10 A/sL2​ = 5 mHk = 0.2ε = ?

Dua gegelung dengan kearuhan kendiri 80 mH dan 5 mH mempunyai pekali gandingan 0.2. Arus dalam gegelung pertama berubah pada 10 A/s. Cari d.g.e. ε yang teraruh dalam gegelung kedua.

L1 = 80 mHL2 = 5 mHk = 0.2di/dt = 10 A/s
ε = V
9.Impedans AU & fasorSederhana
10 V50 HzR = 80 ΩL = 50 mHC = 10 µFI

Litar RLC bersiri disambungkan kepada bekalan 10 V (rms), 50 Hz. Cari arus rms I.

V = 10 V (rms)f = 50 HzR = 80 ΩL = 50 mHC = 10 µF
I = A
10.Impedans AU & fasorSukar
10 V200 HzR = 40 ΩL = 150 mHC = 2.2 µFI

Litar RLC bersiri disambungkan kepada bekalan 10 V (rms), 200 Hz. Cari arus rms I.

V = 10 V (rms)f = 200 HzR = 40 ΩL = 150 mHC = 2.2 µF
I = A

3Larutan

1.Hukum Coulomb & medan elektrik

Jawapan: F = 30.37 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.

Daya daripada setiap cas

Kanan positif.

FL = +k·4·4 × 10⁻¹²/0.3² = 1.598 N
FR = +k·8·4 × 10⁻¹²/0.1² = 28.77 N

Daya bersih

F = 1.598 + (28.77) = 30.37 N → |F| = 30.37 N

Jawapan

F = 30.37 N

Daya bersih menghala ke kanan.

2.Hukum Coulomb & medan elektrik

Jawapan: E = 5.651 × 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.

Jarak dan medan satu cas

r = √(3² + 3²) = 4.243 cm
E1 = k·8 × 10⁻⁶/0.04243² = 3.996 × 10⁷ N/C

Komponen

Komponen di sepanjang garis yang menyambungkan cas saling membatalkan.

E = 2·E1·(h/r) = 2·3.996 × 10⁷·0.7071 = 5.651 × 10⁷ N/C

Jawapan

E = 5.651 × 10⁷ N/C

Medan menghala di sepanjang pembahagi dua sama, menjauhi cas.

3.Perintang bersiri & selari

Jawapan: Req = 9.733 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​ = 6 ΩR3​ = 3 Ω+−V1​15 VR2​8 ΩAR4​4 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 = 3 + 4 = 7 Ω
R2 ∥ 7 = 8·7/(8+7) = 3.733 Ω
Req = R1 + 3.733 = 6 + 3.733 = 9.733 Ω

Jawapan

Req = 9.733 Ω
4.Perintang bersiri & selari

Jawapan: IR2 = 0.9698 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​ = 20 ΩR3​ = 6 ΩR5​ = 10 Ω+−V1​30 VR2​4 ΩAR4​8 ΩBR6​8 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 = 10 + 8 = 18 Ω
R4 ∥ 18 = 5.538 Ω
R3 + 5.538 = 11.54 Ω
R2 ∥ 11.54 = 2.97 Ω
Req = R1 + 2.97 = 20 + 2.97 = 22.97 Ω

Arus daripada sumber

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

IR1 = V1/Req = 30/22.97 = 1.306 A

Arus melalui R₂

Tolak susutan merentasi R₁ untuk mendapatkan voltan pada nod A, iaitu voltan merentasi R₂.

VA = V1 − IR1·R1 = 30 − 1.306·20 = 3.879 V
IR2 = VA/R2 = 3.879/4 = 0.9698 A

Jawapan

IR2 = 0.9698 A
5.Fana RC & RL

Jawapan: i = 0.08904 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 = 22 mH / 100 Ω = 0.22 ms
i(∞) = Vs/R = 9/100 = 0.09 A

Arus pada masa yang diberi

i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0.09·(1 − e−1/0.22) = 0.08904 A

Jawapan

i = 0.08904 A
6.Fana RC & RL

Jawapan: t = 76.42 ms

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) = 3 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 6.8 kΩ · 22 µF = 149.6 ms
vC(t) = 5 + (3 − 5)·e−t/τ

Selesaikan untuk masa

3.8 = 5 + (−2)·e−t/τ → e−t/τ = (3.8 − 5)/(3 − 5) = 0.6
t = τ·ln((3 − 5)/(3.8 − 5)) = 149.6·ln(1.667) = 76.42 ms

Jawapan

t = 76.42 ms
7.Medan magnet & aruhan

Jawapan: ε = 320 mV

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 = 2·0.1·0.004 = 0.0008 Wb

D.g.e. purata

ε = NΔΦ/Δt = 20·0.0008/0.05 = 0.32 V

Jawapan

ε = 320 mV
8.Medan magnet & aruhan

Jawapan: ε = 0.04 V

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).

Kearuhan saling

M = 0.2·√(80·5) = 4 mH

D.g.e. teraruh

ε = M·di/dt = 0.004·10 = 0.04 V

Jawapan

ε = 0.04 V
9.Impedans AU & fasor

Jawapan: I = 0.03195 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

ω = 2πf = 2π·50 = 314.2 rad/s
XL = ωL = 314.2·0.05 = 15.71 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(314.2·10·10⁻⁶) = 318.3 Ω

Impedans

Dalam sambungan bersiri impedans ditambah sebagai nombor kompleks: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (−302.6)²) = 313 Ω

Arus

Arus yang sama mengalir melalui setiap unsur litar bersiri.

I = V/|Z| = 10/313 = 0.03195 A

Jawapan

I = 0.03195 A
10.Impedans AU & fasor

Jawapan: I = 0.05625 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

ω = 2πf = 2π·200 = 1257 rad/s
XL = ωL = 1257·0.15 = 188.5 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(1257·2.2·10⁻⁶) = 361.7 Ω

Impedans

Dalam sambungan bersiri impedans ditambah sebagai nombor kompleks: Z = R + j(XL − XC).

|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(40² + (−173.2)²) = 177.8 Ω

Arus

Arus yang sama mengalir melalui setiap unsur litar bersiri.

I = V/|Z| = 10/177.8 = 0.05625 A

Jawapan

I = 0.05625 A

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