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 +3 µC dan cas −2 µC berjarak 60 cm. Titik P terletak pada garis antara keduanya, 36 cm daripada cas pertama. Cari magnitud medan elektrik E pada P.

q₁ = +3 µCq₂ = −2 µCr₁ = 36 cmr₂ = 24 cm

E = N/C

2.Hukum Coulomb & medan elektrikSukar

Satu elektron memasuki medan seragam antara dua plat selari bergerak selari dengannya pada 4 × 10⁷ m/s. Plat sepanjang 10 cm dan medan di antaranya ialah 3700 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 = 4 × 10⁷ m/sL = 10 cmE = 3700 N/Ce = 1.602 × 10⁻¹⁹ Cm_e = 9.109 × 10⁻³¹ kg

y = mm

3.Perintang bersiri & selariSederhana

Cari rintangan setara R_eq yang dilihat oleh sumber V₁.

V₁ = 10 VR₁ = 8 ΩR₂ = 5 ΩR₃ = 12 ΩR₄ = 5 Ω

R_eq = Ω

4.Perintang bersiri & selariSukar

Cari arus I_R2 melalui R₂.

V₁ = 24 VR₁ = 5 ΩR₂ = 10 ΩR₃ = 10 ΩR₄ = 15 ΩR₅ = 5 ΩR₆ = 8 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 pemalar masa τ litar selepas suis ditutup.

V_s = 9 VR₁ = 2.2 kΩR₂ = 1 kΩC = 33 µF

τ = ms

6.Fana RC & RLSukar

Sejurus sebelum suis ditutup pada t = 0, kapasitor menyimpan 6 V dengan polariti seperti yang ditunjukkan. Cari voltan kapasitor v_C pada t = 100 ms.

V_s = 5 VR = 3.3 kΩC = 68 µFv_C(0) = 6 Vt = 100 ms

v_C = V

7.Medan magnet & aruhanSederhana

Gegelung 100 lilitan mempunyai luas 100 cm². Gegelung berada dalam medan seragam 0.1 T yang berserenjang dengan satahnya, dan medan dimatikan dalam 50 ms. Cari d.g.e. teraruh purata ε.

N = 100A = 100 cm²B = 0.1 TΔt = 50 ms

ε = V

8.Medan magnet & aruhanSukar

Solenoid teras udara yang panjang mempunyai 1000 lilitan, panjang 20 cm dan diameter 3 cm. Cari kearuhan kendirinya L.

N = 1000l = 20 cm⌀ = 3 cmμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A

L = mH

9.Impedans AU & fasorSederhana

Satu perintang dan satu kapasitor disambung selari merentasi bekalan 100 V (rms), 200 Hz. Cari arus rms I.

V = 100 V (rms)f = 200 HzR = 30 ΩC = 10 µF

I = A

10.Impedans AU & fasorSukar

Litar RLC siri digerakkan oleh sumber 5 V (rms) yang frekuensinya ditetapkan pada frekuensi resonans litar. Cari voltan rms V_L merentasi induktor.

V = 5 V (rms)R = 20 ΩL = 5 mHC = 0.22 µF

V_L = V

3Larutan

1.Hukum Coulomb & medan elektrik

Jawapan: E = 520255 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·3 × 10⁻⁶/0.36² = 208102 N/C

E₂ = k·2 × 10⁻⁶/0.24² = 312153 N/C

Arah dan hasil tambah

Medan pertama menghala menjauhi cas positif dan yang kedua menuju cas negatif: kedua-duanya menghala ke arah yang sama.

E = |208102 + 312153| = 520255 N/C

Jawapan

E = 520255 N/C

2.Hukum Coulomb & medan elektrik

Jawapan: y = 2.033 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 = 0.1/4 × 10⁷ = 2.5 × 10⁻⁹ s

Pecutan ke sisi

a = e·E/m = 1.602 × 10⁻¹⁹·3700/9.109 × 10⁻³¹ = 6.507 × 10¹⁴ m/s²

Pesongan

y = ½·a·t² = ½·6.507 × 10¹⁴·(2.5 × 10⁻⁹)² = 0.002033 m = 2.033 mm

Jawapan

y = 2.033 mm

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

3.Perintang bersiri & selari

Jawapan: R_eq = 11.86 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.

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 = 12 + 5 = 17 Ω

R₂ ∥ 17 = 5·17/(5+17) = 3.864 Ω

R_eq = R₁ + 3.864 = 8 + 3.864 = 11.86 Ω

Jawapan

R_eq = 11.86 Ω

4.Perintang bersiri & selari

Jawapan: I_R2 = 1.337 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 = 5 + 8 = 13 Ω

R₄ ∥ 13 = 6.964 Ω

R₃ + 6.964 = 16.96 Ω

R₂ ∥ 16.96 = 6.291 Ω

R_eq = R₁ + 6.291 = 5 + 6.291 = 11.29 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 = 24/11.29 = 2.126 A

Arus melalui R₂

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

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 24 − 2.126·5 = 13.37 V

I_R2 = V_A/R₂ = 13.37/10 = 1.337 A

Jawapan

I_R2 = 1.337 A

5.Fana RC & RL

Jawapan: τ = 22.69 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.

Setara Thévenin yang dilihat kapasitor

Pintaskan sumber untuk mencari R_th; buka kapasitor untuk mencari voltan yang akan dicapainya.

R_th = R₁ ∥ R₂ = 2.2·1/(2.2 + 1) = 0.6875 kΩ

v_C(∞) = 9·1/(2.2 + 1) = 2.813 V

Pemalar masa

τ = R_th·C = 0.6875·33 = 22.69 ms

Jawapan

τ = 22.69 ms

6.Fana RC & RL

Jawapan: v_C = 5.64 V

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) = 6 V, v_C(∞) = V_s = 5 V

τ = R·C = 3.3 kΩ · 68 µF = 224.4 ms

v_C(t) = 5 + (6 − 5)·e^−t/τ

Voltan pada masa yang diberi

v_C(100) = 5 + (1)·e^−100/224.4 = 5.64 V

Jawapan

v_C = 5.64 V

7.Medan magnet & aruhan

Jawapan: ε = 2 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 = 0.1·0.01 = 0.001 Wb

D.g.e. purata

ε = NΔΦ/Δt = 100·0.001/0.05 = 2 V

Jawapan

ε = 2 V

8.Medan magnet & aruhan

Jawapan: L = 4.441 mH

Keratan rentas

A = π·(0.015)² = 0.0007069 m²

Kearuhan kendiri

L = μ₀N²A/l = 4π × 10⁻⁷·1000²·0.0007069/0.2 = 0.004441 H = 4.441 mH

Jawapan

L = 4.441 mH

9.Impedans AU & fasor

Jawapan: I = 3.562 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

X_C = 1/(ωC) = 1/(2π·200·10·10⁻⁶) = 79.58 Ω

Arus cabang

Kedua-dua cabang disambung terus merentasi bekalan, maka setiap satu melihat voltan penuh V.

I_R = V/R = 100/30 = 3.333 A

I_X = V/X_C = 100/79.58 = 1.257 A

Jumlah arus

Arus perintang sefasa dengan V dan arus reaktif berbeza fasa 90°, maka ia ditambah seperti sisi segi tiga bersudut tegak.

I = √(I_R² + I_X²) = √(3.333² + 1.257²) = 3.562 A

Jawapan

I = 3.562 A

10.Impedans AU & fasor

Jawapan: V_L = 37.69 V

Salunan

Pada resonans reaktans saling membatalkan, maka impedans hanyalah R.

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.005·0.22·10⁻⁶) = 30151 rad/s

I = V/R = 5/20 = 0.25 A

Voltan merentasi induktor

X_L = ω₀L = 30151·0.005 = 150.8 Ω

V_L = I·X_L = 0.25·150.8 = 37.69 V

Jawapan

V_L = 37.69 V

Ini ialah Q = 7.538 kali voltan bekalan.

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