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 +5 µC dan cas −4 µC berjarak 30 cm. Titik P terletak pada garis antara keduanya, 15 cm daripada cas pertama. Cari magnitud medan elektrik E pada P.

q₁ = +5 µCq₂ = −4 µCr₁ = 15 cmr₂ = 15 cm

E = N/C

2.Hukum Coulomb & medan elektrikSukar

Dua bola kecil yang serupa, masing-masing berjisim 8 g, tergantung dari titik yang sama pada benang penebat sepanjang 100 cm. Kedua-duanya diberi cas yang sama dan setiap benang menetap pada 12° dari garis menegak. Gunakan g = 9.81 m/s². Cari cas q pada setiap bola dalam nC. Use k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C².

m = 8 gL = 100 cmθ = 12°g = 9.81 m/s²

q = nC

3.Perintang bersiri & selariSederhana

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

V₁ = 12 VR₁ = 15 ΩR₂ = 4 ΩR₃ = 6 ΩR₄ = 4 Ω

I_R1 = A

4.Perintang bersiri & selariSukar

Cari rintangan setara R_eq yang dilihat oleh sumber V₁.

V₁ = 15 VR₁ = 10 ΩR₂ = 8 ΩR₃ = 5 ΩR₄ = 5 ΩR₅ = 20 ΩR₆ = 4 Ω

R_eq = Ω

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 = 3.3 kΩR₂ = 4.7 kΩC = 33 µF

τ = ms

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 9.48 V, tepat 100 ms selepas permulaan. Dengan C = 2.2 µF, cari rintangan R yang diperlukan.

V_s = 15 VV_th = 9.48 VT = 100 msC = 2.2 µF

R = kΩ

7.Medan magnet & aruhanSederhana

Rod logam sepanjang 100 cm menggelongsor pada 10 m/s di sepanjang dua landasan dalam medan seragam 0.6 T masuk ke dalam halaman. Landasan disambungkan oleh perintang 2.5 Ω; rod dan landasan mempunyai rintangan yang boleh diabaikan. Cari kuasa P yang terlesap dalam perintang.

B = 0.6 TL = 100 cmv = 10 m/sR = 2.5 Ω

P = W

8.Medan magnet & aruhanSukar

Arus dalam peraruh 500 mH berubah secara sekata daripada 6 A kepada 2 A dalam 10 ms. Cari magnitud d.g.e. teraruh kendiri ε.

L = 500 mH6 A → 2 AΔt = 10 ms

ε = V

9.Impedans AU & fasorSederhana

Litar RLC bersiri disambungkan kepada bekalan 12 V (rms), 500 Hz. Cari arus rms I.

V = 12 V (rms)f = 500 HzR = 60 ΩL = 50 mHC = 1 µF

I = A

10.Impedans AU & fasorSukar

Litar RLC bersiri disambungkan kepada bekalan 120 V (rms), 50 Hz. Cari frekuensi salunan f₀ litar itu.

V = 120 V (rms)f = 50 HzR = 100 ΩL = 200 mHC = 4.7 µF

f₀ = Hz

3Larutan

1.Hukum Coulomb & medan elektrik

Jawapan: E = 3.596 × 10⁶ 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·5 × 10⁻⁶/0.15² = 1.998 × 10⁶ N/C

E₂ = k·4 × 10⁻⁶/0.15² = 1.598 × 10⁶ 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 = |1.998 × 10⁶ + 1.598 × 10⁶| = 3.596 × 10⁶ N/C

Jawapan

E = 3.596 × 10⁶ N/C

2.Hukum Coulomb & medan elektrik

Jawapan: q = 566.4 nC

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 elektrik daripada keseimbangan

Bahagian mengufuk tegangan mengimbangi F, bahagian menegaknya mengimbangi m·g.

F = m·g·tan θ = 0.008·9.81·tan 12° = 0.01668 N

Jarak pemisahan

r = 2·L·sin θ = 2·1·sin 12° = 0.4158 m

Cas

F = k·q²/r² → q = r·√(F/k) = 0.4158·√(0.01668/8.99 × 10⁹) = 5.664 × 10⁻⁷ C = 566.4 nC

Jawapan

q = 566.4 nC

3.Perintang bersiri & selari

Jawapan: I_R1 = 0.672 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 = 6 + 4 = 10 Ω

R₂ ∥ 10 = 4·10/(4+10) = 2.857 Ω

R_eq = R₁ + 2.857 = 15 + 2.857 = 17.86 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 = 12/17.86 = 0.672 A

Jawapan

I_R1 = 0.672 A

4.Perintang bersiri & selari

Jawapan: R_eq = 14.27 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 = 20 + 4 = 24 Ω

R₄ ∥ 24 = 4.138 Ω

R₃ + 4.138 = 9.138 Ω

R₂ ∥ 9.138 = 4.266 Ω

R_eq = R₁ + 4.266 = 10 + 4.266 = 14.27 Ω

Jawapan

R_eq = 14.27 Ω

5.Fana RC & RL

Jawapan: τ = 63.98 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 = 3.3·4.7/(3.3 + 4.7) = 1.939 kΩ

v_C(∞) = 9·4.7/(3.3 + 4.7) = 5.288 V

Pemalar masa

τ = R_th·C = 1.939·33 = 63.98 ms

Jawapan

τ = 63.98 ms

6.Fana RC & RL

Jawapan: R = 45.47 kΩ

Pemalar masa yang diperlukan

9.48 = 15·(1 − e^−100/τ) → τ = 100/ln(15/(15 − 9.48))

τ = 100/0.9997 = 100 ms

Rintangan

kΩ darab µF memberikan milisaat.

R = τ/C = 100/2.2 = 45.47 kΩ

Jawapan

R = 45.47 kΩ

7.Medan magnet & aruhan

Jawapan: P = 14.4 W

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 = 0.6·1·10 = 6 V

Arus

I = ε/R = 6/2.5 = 2.4 A

Kuasa

P = εI = 6·2.4 = 14.4 W

Jawapan

P = 14.4 W

8.Medan magnet & aruhan

Jawapan: ε = 200 V

D.g.e. teraruh kendiri

D.g.e. menentang perubahan arus (Lenz), maka tandanya bertentangan dengan ΔI; magnitudnya ialah L·|ΔI|/Δt.

ε = L·ΔI/Δt = 0.5·4/0.01 = 200 V

Jawapan

ε = 200 V

9.Impedans AU & fasor

Jawapan: I = 0.06975 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·500 = 3142 rad/s

X_L = ωL = 3142·0.05 = 157.1 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(3142·1·10⁻⁶) = 318.3 Ω

Impedans

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

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(60² + (−161.2)²) = 172 Ω

Arus

Arus yang sama mengalir melalui setiap unsur litar bersiri.

I = V/|Z| = 12/172 = 0.06975 A

Jawapan

I = 0.06975 A

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·√(0.2·4.7·10⁻⁶)) = 164.2 Hz

Jawapan

f₀ = 164.2 Hz

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