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

Dua sfera logam kecil yang serupa membawa cas +10 µC dan +1 µC. Kedua-duanya disentuhkan kemudian diletakkan semula berjarak 10 cm. Cari magnitud daya F antara kedua-duanya sekarang. Use k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C².

q₁ = +10 µCq₂ = +1 µCr = 10 cm

F = N

2.Hukum Coulomb & medan elektrikSukar

Cas +2 µC dan −2 µC berjarak 12 cm antara satu sama lain. Titik P terletak 8 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 = +2 µCq₂ = −2 µCd = 12 cmh = 8 cm

E = N/C

3.Perintang bersiri & selariSederhana

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

V₁ = 15 VR₁ = 5 ΩR₂ = 3 ΩR₃ = 15 ΩR₄ = 5 Ω

I_R1 = A

4.Perintang bersiri & selariSukar

Cari rintangan setara R_eq yang dilihat oleh sumber V₁.

V₁ = 6 VR₁ = 20 ΩR₂ = 30 ΩR₃ = 3 ΩR₄ = 12 ΩR₅ = 8 ΩR₆ = 3 Ω

R_eq = Ω

5.Fana RC & RLSederhana

Induktor membawa arus mantap 3 A. Pada t = 0 suis menutup gelung melalui R dan sumber dialihkan, maka arus induktor mereput melalui R. Berapa lamakah masa yang diambil untuk arus jatuh kepada 0.3 A? Cari t.

i(0) = 3 AR = 15 ΩL = 33 mH

t = ms

6.Fana RC & RLSukar

Sejurus sebelum suis ditutup pada t = 0, kapasitor menyimpan 8 V dengan polariti seperti yang ditunjukkan. Berapa lama masa yang diambil untuk v_C mencapai 12.8 V? Cari t.

V_s = 24 VR = 10 kΩC = 10 µFv_C(0) = 8 V

t = ms

7.Medan magnet & aruhanSederhana

Gelung bulat terletak dalam medan magnet seragam yang menghala keluar daripada halaman. Kekuatan medan sedang berkurang. Klik arah arus teraruh dalam gelung seperti yang dilihat dalam lukisan.

B: keluar daripada halamandB/dt < 0

1ikut arah jam
2lawan arah jam

8.Medan magnet & aruhanSukar

Gegelung 100 lilitan, 15 cm × 20 cm, berputar dalam medan seragam 0.5 T pada paksi yang berserenjang dengan medan. Pada kelajuan n berapa (dalam pusingan seminit) ia mesti berputar untuk memberi d.g.e. rms 66.64 V?

N = 100A = 15 cm × 20 cmB = 0.5 TE_rms = 66.64 V

n = rpm

9.Impedans AU & fasorSederhana

Litar RLC bersiri disambungkan kepada bekalan 50 V (rms), 200 Hz. Cari kuasa nyata P yang diambil daripada bekalan.

V = 50 V (rms)f = 200 HzR = 60 ΩL = 200 mHC = 2.2 µF

P = W

10.Impedans AU & fasorSukar

Litar RLC bersiri disambungkan kepada bekalan 12 V (rms), 200 Hz. Cari frekuensi salunan f₀ litar itu.

V = 12 V (rms)f = 200 HzR = 15 ΩL = 20 mHC = 47 µF

f₀ = Hz

3Larutan

1.Hukum Coulomb & medan elektrik

Jawapan: F = 27.19 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.

Cas selepas bersentuhan

q′ = (10 + 1)/2 = 5.5 µC

Daya baharu

F = 8.99 × 10⁹·(5.5 × 10⁻⁶)²/0.1² = 27.19 N

Jawapan

F = 27.19 N

Kedua-dua sfera kini membawa tanda yang sama, maka ia saling menolak.

2.Hukum Coulomb & medan elektrik

Jawapan: E = 2.158 × 10⁶ N/C

Jarak dan medan satu cas

r = √(6² + 8²) = 10 cm

E₁ = k·2 × 10⁻⁶/0.1² = 1.798 × 10⁶ N/C

Komponen

Komponen di sepanjang pembahagi dua sama saling membatalkan.

E = 2·E₁·(a/r) = 2·1.798 × 10⁶·0.6 = 2.158 × 10⁶ N/C

Jawapan

E = 2.158 × 10⁶ N/C

Medan menghala selari dengan garis dari cas positif ke arah cas negatif.

3.Perintang bersiri & selari

Jawapan: I_R1 = 1.971 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 = 15 + 5 = 20 Ω

R₂ ∥ 20 = 3·20/(3+20) = 2.609 Ω

R_eq = R₁ + 2.609 = 5 + 2.609 = 7.609 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 = 15/7.609 = 1.971 A

Jawapan

I_R1 = 1.971 A

4.Perintang bersiri & selari

Jawapan: R_eq = 26.77 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 = 8 + 3 = 11 Ω

R₄ ∥ 11 = 5.739 Ω

R₃ + 5.739 = 8.739 Ω

R₂ ∥ 8.739 = 6.768 Ω

R_eq = R₁ + 6.768 = 20 + 6.768 = 26.77 Ω

Jawapan

R_eq = 26.77 Ω

5.Fana RC & RL

Jawapan: t = 5.066 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.

Pemalar masa

τ = L/R = 33 mH / 15 Ω = 2.2 ms

Selesaikan untuk masa

0.3 = 3·e^−t/τ → t = τ·ln(3/0.3)

t = 2.2·ln(10) = 5.066 ms

Jawapan

t = 5.066 ms

6.Fana RC & RL

Jawapan: t = 35.67 ms

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) = 8 V, v_C(∞) = V_s = 24 V

τ = R·C = 10 kΩ · 10 µF = 100 ms

v_C(t) = 24 + (8 − 24)·e^−t/τ

Selesaikan untuk masa

12.8 = 24 + (−16)·e^−t/τ → e^−t/τ = (12.8 − 24)/(8 − 24) = 0.7

t = τ·ln((8 − 24)/(12.8 − 24)) = 100·ln(1.429) = 35.67 ms

Jawapan

t = 35.67 ms

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: n = 600 rpm

D.g.e. puncak

E₀ = √2·E_rms = 94.24 V

Laju sudut

ω = E₀/(NBA) = 94.24/(100·0.5·0.03) = 62.83 rad/s

Pusingan seminit

n = 60·62.83/(2π) = 600 rpm

Jawapan

n = 600 rpm

9.Impedans AU & fasor

Jawapan: P = 9.502 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

X_L = 251.3 Ω, X_C = 361.7 Ω

Impedans

|Z| = √(60² + (−110.4)²) = 125.6 Ω

Kuasa nyata

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

I = 50/125.6 = 0.398 A

P = I²·R = 0.398²·60 = 9.502 W

Jawapan

P = 9.502 W

10.Impedans AU & fasor

Jawapan: f₀ = 164.2 Hz

Salunan

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

f₀ = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0.02·47·10⁻⁶)) = 164.2 Hz

Jawapan

f₀ = 164.2 Hz

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