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 +6 µC dan +1 µC berjarak 10 cm antara satu sama lain. Pada jarak x berapa dari cas +6 µC, pada garis di antara kedua-duanya, medan elektrik ialah sifar?

q₁ = +6 µCq₂ = +1 µCd = 10 cm

x = cm

2.Hukum Coulomb & medan elektrikSukar

Tiga cas titik positif berada di bucu sebuah segi tiga tepat: q₃ = 4 µC berada di bucu sudut tepat, q₁ = 3 µC berjarak 3 cm daripadanya sepanjang satu sisi dan q₂ = 5 µC berjarak 3 cm daripadanya sepanjang sisi yang lain. Cari magnitud daya elektrik bersih F pada q₃.

q₁ = 3 µCq₂ = 5 µCq₃ = 4 µCr₁₃ = 3 cmr₂₃ = 3 cm

F = N

3.Perintang bersiri & selariSederhana

Cari arus I_R2 melalui R₂.

V₁ = 6 VR₁ = 2 ΩR₂ = 12 ΩR₃ = 20 ΩR₄ = 20 Ω

I_R2 = A

4.Perintang bersiri & selariSukar

Cari arus I_R2 melalui R₂.

V₁ = 12 VR₁ = 2 ΩR₂ = 4 ΩR₃ = 12 ΩR₄ = 15 ΩR₅ = 6 ΩR₆ = 4 Ω

I_R2 = 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 = 250 ms.

V_s = 12 VR₁ = 10 kΩR₂ = 6.8 kΩC = 47 µFt = 250 ms

v_C = 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 13.5 V, tepat 20 ms selepas permulaan. Dengan C = 10 µF, cari rintangan R yang diperlukan.

V_s = 15 VV_th = 13.5 VT = 20 msC = 10 µF

R = kΩ

7.Medan magnet & aruhanSederhana

Gegelung 250 lilitan mempunyai luas 40 cm². Medan seragam yang berserenjang dengan gegelung meningkat secara sekata daripada 0 T kepada 0.4 T dalam 100 ms. Cari d.g.e. teraruh purata ε.

N = 250A = 40 cm²B: 0 T → 0.4 TΔt = 100 ms

ε = V

8.Medan magnet & aruhanSukar

Proton melalui pemilih halaju tanpa terpesong dengan medan bersilang E = 5 × 10⁴ V/m dan B₁ = 0.5 T. Kemudian ia memasuki kawasan kedua dengan hanya medan magnet B₂ = 1 T, pada sudut tepat. Cari jejari r lintasannya di situ.

E = 5 × 10⁴ V/mB₁ = 0.5 TB₂ = 1 Tm = 1.673 × 10⁻²⁷ kg|q| = 1.602 × 10⁻¹⁹ C

r = cm

9.Impedans AU & fasorSederhana

Litar RLC bersiri disambungkan kepada bekalan 50 V (rms), 60 Hz. Cari faktor kuasa cos φ litar itu.

V = 50 V (rms)f = 60 HzR = 20 ΩL = 200 mHC = 100 µF

cos φ =

10.Impedans AU & fasorSukar

Litar RLC siri digerakkan oleh sumber 1 V (rms) yang frekuensinya ditetapkan pada frekuensi resonans litar. Cari voltan rms V_L merentasi induktor.

V = 1 V (rms)R = 10 ΩL = 5 mHC = 1 µF

V_L = V

3Larutan

1.Hukum Coulomb & medan elektrik

Jawapan: x = 7.101 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

6/x² = 1/(10 − x)²

(10 − x)/x = √(1/6) = 0.4082

Kedudukan

x = 10/(1 + 0.4082) = 7.101 cm

Jawapan

x = 7.101 cm

Titik sifar sentiasa lebih dekat dengan cas yang lebih kecil.

2.Hukum Coulomb & medan elektrik

Jawapan: F = 233 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·3·4 × 10⁻¹²/0.03² = 119.9 N

F₂ = k·5·4 × 10⁻¹²/0.03² = 199.8 N

Hasil tambah vektor

F = √(119.9² + 199.8²) = 233 N

Jawapan

F = 233 N

3.Perintang bersiri & selari

Jawapan: I_R2 = 0.411 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 + 20 = 40 Ω

R₂ ∥ 40 = 12·40/(12+40) = 9.231 Ω

R_eq = R₁ + 9.231 = 2 + 9.231 = 11.23 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 = 6/11.23 = 0.5342 A

Arus melalui R₂

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

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 6 − 0.5342·2 = 4.932 V

I_R2 = V_A/R₂ = 4.932/12 = 0.411 A

Jawapan

I_R2 = 0.411 A

4.Perintang bersiri & selari

Jawapan: I_R2 = 1.862 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 + 4 = 10 Ω

R₄ ∥ 10 = 6 Ω

R₃ + 6 = 18 Ω

R₂ ∥ 18 = 3.273 Ω

R_eq = R₁ + 3.273 = 2 + 3.273 = 5.273 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 = 12/5.273 = 2.276 A

Arus melalui R₂

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

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 12 − 2.276·2 = 7.448 V

I_R2 = V_A/R₂ = 7.448/4 = 1.862 A

Jawapan

I_R2 = 1.862 A

5.Fana RC & RL

Jawapan: v_C = 3.552 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 = 10·6.8/(10 + 6.8) = 4.048 kΩ

v_C(∞) = 12·6.8/(10 + 6.8) = 4.857 V

Pemalar masa

τ = R_th·C = 4.048·47 = 190.2 ms

Lengkung pengecasan

v_C(t) = 4.857·(1 − e^−250/190.2) = 3.552 V

Jawapan

v_C = 3.552 V

6.Fana RC & RL

Jawapan: R = 0.8686 kΩ

Pemalar masa yang diperlukan

13.5 = 15·(1 − e^−20/τ) → τ = 20/ln(15/(15 − 13.5))

τ = 20/2.303 = 8.686 ms

Rintangan

kΩ darab µF memberikan milisaat.

R = τ/C = 8.686/10 = 0.8686 kΩ

Jawapan

R = 0.8686 kΩ

7.Medan magnet & aruhan

Jawapan: ε = 4 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).

Perubahan fluks bagi setiap lilitan

ΔΦ = (0.4 − 0)·0.004 = 0.0016 Wb

D.g.e. purata

ε = NΔΦ/Δt = 250·0.0016/0.1 = 4 V

Jawapan

ε = 4 V

8.Medan magnet & aruhan

Jawapan: r = 0.1044 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 = 5 × 10⁴/0.5 = 100000 m/s

Jejari dalam medan kedua

r = mv/(|q|B₂) = 0.001044 m = 0.1044 cm

Jawapan

r = 0.1044 cm

9.Impedans AU & fasor

Jawapan: cos φ = 0.3787

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 = 75.4 Ω, X_C = 26.53 Ω

Impedans

|Z| = √(20² + (48.87)²) = 52.81 Ω

Faktor kuasa

cos φ = R/|Z| = 20/52.81 = 0.3787

Litar itu induktif, maka faktor kuasanya ketinggalan.

Jawapan

cos φ = 0.3787

10.Impedans AU & fasor

Jawapan: V_L = 7.071 V

Salunan

Pada resonans reaktans saling membatalkan, maka impedans hanyalah R.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.005·1·10⁻⁶) = 14142 rad/s

I = V/R = 1/10 = 0.1 A

Voltan merentasi induktor

X_L = ω₀L = 14142·0.005 = 70.71 Ω

V_L = I·X_L = 0.1·70.71 = 7.071 V

Jawapan

V_L = 7.071 V

Ini ialah Q = 7.071 kali voltan bekalan.

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