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 +1 µC dan +8 µC berjarak 80 cm antara satu sama lain. Pada jarak x berapa dari cas +1 µC, pada garis di antara kedua-duanya, medan elektrik ialah sifar?

q₁ = +1 µCq₂ = +8 µCd = 80 cm

x = cm

2.Hukum Coulomb & medan elektrikSukar

Tiga cas titik positif berada di bucu sebuah segi tiga tepat: q₃ = 10 µC berada di bucu sudut tepat, q₁ = 2 µC berjarak 5 cm daripadanya sepanjang satu sisi dan q₂ = 5 µC berjarak 10 cm daripadanya sepanjang sisi yang lain. Cari magnitud daya elektrik bersih F pada q₃.

q₁ = 2 µCq₂ = 5 µCq₃ = 10 µCr₁₃ = 5 cmr₂₃ = 10 cm

F = N

3.Perintang bersiri & selariSederhana

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

V₁ = 18 VR₁ = 2 ΩR₂ = 6 ΩR₃ = 20 ΩR₄ = 8 Ω

I_R1 = A

4.Perintang bersiri & selariSukar

Cari rintangan setara R_eq yang dilihat oleh sumber V₁.

V₁ = 36 VR₁ = 3 ΩR₂ = 6 ΩR₃ = 20 ΩR₄ = 25 ΩR₅ = 12 ΩR₆ = 15 Ω

R_eq = Ω

5.Fana RC & RLSederhana

Induktor membawa arus mantap 1 A. Pada t = 0 suis menutup gelung melalui R dan sumber dialihkan, maka arus induktor mereput melalui R. Cari voltan v_R merentasi R pada t = 1 ms.

i(0) = 1 AR = 100 ΩL = 100 mHt = 1 ms

v_R = V

6.Fana RC & RLSukar

Sebuah pemasa mula mengecas kapasitor tidak bercas melalui perintang daripada bekalan 15 V pada t = 0. Ia mesti mencetuskan apabila voltan kapasitor mencapai 12 V, tepat 1000 ms selepas permulaan. Dengan C = 22 µF, cari rintangan R yang diperlukan.

V_s = 15 VV_th = 12 VT = 1000 msC = 22 µF

R = kΩ

7.Medan magnet & aruhanSederhana

Rod logam sepanjang 40 cm menggelongsor pada 2 m/s di sepanjang dua landasan dalam medan seragam 0.6 T masuk ke dalam halaman. Landasan disambungkan oleh perintang 0.5 Ω; rod dan landasan mempunyai rintangan yang boleh diabaikan. Cari arus I.

B = 0.6 TL = 40 cmv = 2 m/sR = 0.5 Ω

I = mA

8.Medan magnet & aruhanSukar

Solenoid teras udara yang panjang mempunyai 500 lilitan, panjang 30 cm dan diameter 3 cm. Cari tenaga W yang tersimpan dalam medan magnetnya apabila ia membawa 2 A.

N = 500l = 30 cm⌀ = 3 cmI = 2 Aμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A

W = mJ

9.Impedans AU & fasorSederhana

Litar RLC bersiri disambungkan kepada bekalan 10 V (rms), 200 Hz. Cari sudut fasa φ impedans, dalam darjah (positif apabila arus ketinggalan daripada voltan).

V = 10 V (rms)f = 200 HzR = 15 ΩL = 100 mHC = 47 µF

φ = °

10.Impedans AU & fasorSukar

Litar RLC bersiri disambungkan kepada bekalan 230 V (rms), 100 Hz. Cari frekuensi salunan f₀ litar itu.

V = 230 V (rms)f = 100 HzR = 15 ΩL = 250 mHC = 22 µF

f₀ = Hz

3Larutan

1.Hukum Coulomb & medan elektrik

Jawapan: x = 20.9 cm

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.

Medan yang sama

1/x² = 8/(80 − x)²

(80 − x)/x = √(8/1) = 2.828

Kedudukan

x = 80/(1 + 2.828) = 20.9 cm

Jawapan

x = 20.9 cm

Titik sifar sentiasa lebih dekat dengan cas yang lebih kecil.

2.Hukum Coulomb & medan elektrik

Jawapan: F = 84.81 N

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.

Setiap daya pada q₃

F₁ = k·2·10 × 10⁻¹²/0.05² = 71.92 N

F₂ = k·5·10 × 10⁻¹²/0.1² = 44.95 N

Hasil tambah vektor

F = √(71.92² + 44.95²) = 84.81 N

Jawapan

F = 84.81 N

3.Perintang bersiri & selari

Jawapan: I_R1 = 2.593 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 = 20 + 8 = 28 Ω

R₂ ∥ 28 = 6·28/(6+28) = 4.941 Ω

R_eq = R₁ + 4.941 = 2 + 4.941 = 6.941 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 = 18/6.941 = 2.593 A

Jawapan

I_R1 = 2.593 A

4.Perintang bersiri & selari

Jawapan: R_eq = 8.076 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 = 12 + 15 = 27 Ω

R₄ ∥ 27 = 12.98 Ω

R₃ + 12.98 = 32.98 Ω

R₂ ∥ 32.98 = 5.076 Ω

R_eq = R₁ + 5.076 = 3 + 5.076 = 8.076 Ω

Jawapan

R_eq = 8.076 Ω

5.Fana RC & RL

Jawapan: v_R = 36.79 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.

Pemalar masa

τ = L/R = 100 mH / 100 Ω = 1 ms

Pereputan arus

i(t) = 1·e^−1/1 = 0.3679 A

v_R = R·i = 100·0.3679 = 36.79 V

Jawapan

v_R = 36.79 V

6.Fana RC & RL

Jawapan: R = 28.24 kΩ

Pemalar masa yang diperlukan

12 = 15·(1 − e^−1000/τ) → τ = 1000/ln(15/(15 − 12))

τ = 1000/1.609 = 621.3 ms

Rintangan

kΩ darab µF memberikan milisaat.

R = τ/C = 621.3/22 = 28.24 kΩ

Jawapan

R = 28.24 kΩ

7.Medan magnet & aruhan

Jawapan: I = 960 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).

D.g.e. gerakan

ε = BLv = 0.6·0.4·2 = 0.48 V

Arus

I = ε/R = 0.48/0.5 = 0.96 A

Jawapan

I = 960 mA

8.Medan magnet & aruhan

Jawapan: W = 1.48 mJ

Kearuhan kendiri

L = μ₀N²A/l = 740.2 µH

Tenaga tersimpan

W = ½LI² = ½·0.0007402·2² = 0.00148 J = 1.48 mJ

Jawapan

W = 1.48 mJ

9.Impedans AU & fasor

Jawapan: φ = 82.15 °

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

X_L = ωL = 1257·0.1 = 125.7 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(1257·47·10⁻⁶) = 16.93 Ω

Impedans

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

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(15² + (108.7)²) = 109.8 Ω

Sudut fasa

φ = arctan((X_L − X_C)/R) = arctan(108.7/15) = 82.15°

Jawapan

φ = 82.15°

10.Impedans AU & fasor

Jawapan: f₀ = 67.86 Hz

Salunan

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

f₀ = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0.25·22·10⁻⁶)) = 67.86 Hz

Jawapan

f₀ = 67.86 Hz

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