Закон Кулона и электрическое поле
- Закон Кулона
- F = k·|q1q2|/r²
- Поле точечного заряда
- E = k·|q|/r²
- Постоянная
- k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C²
- Сила, действующая на заряд
- F = q·E
Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (10) с полными решениями в конце.
Заряд +8 µC и заряд −3 µC находятся на расстоянии 50 cm друг от друга. Точка P лежит на прямой между ними на расстоянии 25 cm от первого заряда. Найдите модуль напряжённости электрического поля E в точке P.
Два одинаковых маленьких шарика массой 10 g каждый подвешены в одной точке на изолирующих нитях длиной 50 cm. Им сообщают равные заряды, и каждая нить устанавливается под углом 12° к вертикали. Примите g = 9,81 m/s². Найдите заряд q каждого шарика в nC. Use k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².
Найдите эквивалентное сопротивление Req, которое видит источник V1.
Найдите ток IR1, отдаваемый источником и текущий через R1.
Источник Vₛ заряжает конденсатор через R₁, а R₂ подключён параллельно C. Конденсатор разряжен, когда ключ замыкается в момент t = 0. Найдите напряжение на конденсаторе vC в момент t = 30 ms.
Непосредственно перед замыканием ключа в момент t = 0 конденсатор заряжен до 18 V с указанной полярностью. Через какое время vC достигнет 19,4 V? Найдите t.
Два длинных параллельных провода на расстоянии 20 cm друг от друга проводят токи 5 A и 15 A в одном направлении. Найдите модуль магнитной индукции B в точке P посередине между ними.
Альфа-частица проходит без отклонения через селектор скоростей со скрещёнными полями E = 2 × 10⁴ V/m и B₁ = 0,4 T. Затем он влетает под прямым углом во вторую область, где есть только магнитное поле B₂ = 0,4 T. Найдите радиус r его траектории там.
Последовательная цепь RLC подключена к сети 24 V (действующее значение), 200 Hz. Найдите активную мощность P, потребляемую от источника.
Последовательный RLC-контур питается от источника 5 V (действующее значение), частота которого равна резонансной частоте контура. Найдите действующее напряжение VL на катушке.
Ответ: E = 1,582 × 10⁶ N/C
Закон Кулона: два точечных заряда притягиваются или отталкиваются с силой F = k·|q₁·q₂|/r², где k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C². Напряжённость поля точечного заряда E = k·|q|/r²; поле направлено от положительного заряда и к отрицательному. Силы и поля от нескольких зарядов складываются как векторы.
Первое поле направлено от положительного заряда, второе — к отрицательному: оба направлены в одну сторону.
Ответ: q = 316,6 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.
Горизонтальная составляющая натяжения уравновешивает F, вертикальная — m·g.
Ответ: Req = 11,48 Ω
Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.
Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.
Ответ: IR1 = 0,4578 A
Последовательное и параллельное соединение: последовательно через каждый резистор течёт один и тот же ток и R = R₁ + R₂ + …. Параллельно на каждом резисторе одно и то же напряжение и 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Лестничную цепь упрощают по одной паре, пока не останется одно эквивалентное сопротивление.
Начните с конца, самого дальнего от источника, и двигайтесь к нему. Резисторы с одинаковым током соединены последовательно; резисторы между одними и теми же двумя узлами — параллельно.
Источник видит только Req, поэтому закон Ома даёт ток, который он отдаёт. Этот ток течёт через R₁.
Ответ: vC = 11,1 V
Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.
Закоротите источник, чтобы найти Rth; отключите конденсатор, чтобы найти напряжение, до которого он зарядится.
Ответ: t = 81,87 ms
Переходные процессы первого порядка: в цепи с одним конденсатором или одной катушкой каждое напряжение и каждый ток экспоненциально меняются от начального к конечному значению: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, где τ = RC или τ = L/R. Примерно через 5τ цепь выходит на установившийся режим.
Напряжение на конденсаторе не может измениться скачком, поэтому оно начинается с накопленного значения и стремится к напряжению источника.
Ответ: B = 20 µT
Магнитное поле токов: вокруг длинного прямого провода линии поля — окружности (правило правой руки), B = μ₀I/(2πr). В центре плоской круговой катушки из N витков B = μ₀NI/(2R). Внутри длинного соленоида поле однородно, B = μ₀nI, где n = N/L — число витков на метр, независимо от радиуса. μ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A. Работайте в единицах СИ (метры и амперы), а поля нескольких источников складывайте как векторы.
Ответ: r = 0,2592 cm
Магнитные силы: на прямой провод с током I в поле B действует сила F = BIL·sin θ, а на движущийся заряд — F = |q|vB·sin θ, где θ — угол между током (или скоростью) и B. Сила перпендикулярна им обоим: направьте пальцы правой руки вдоль I или v, согните их к B, и большой палец покажет F для положительного заряда; для отрицательного заряда направление меняется на противоположное. Поскольку F перпендикулярна v, заряд, движущийся поперёк однородного поля, движется по окружности: |q|vB = mv²/r даёт r = mv/(|q|B) и период T = 2πm/(|q|B), не зависящий от скорости. Два параллельных провода притягиваются при токах в одном направлении: F/L = μ₀I₁I₂/(2πd).
Без отклонения: электрическая сила qE уравновешивает магнитную силу qvB.
Ответ: P = 1,049 W
Цепи переменного тока и комплексный метод: резисторы, катушки и конденсаторы имеют полные сопротивления R, jωL и 1/(jωC), где ω = 2πf. При последовательном соединении полные сопротивления складываются как сопротивления, но как комплексные числа. Действующие значения тока и напряжения подчиняются закону Ома с |Z|.
Катушки и конденсаторы только запасают и возвращают энергию; всю активную мощность потребляет резистор.
Ответ: VL = 75,38 V
Цепи переменного тока и комплексный метод: резисторы, катушки и конденсаторы имеют полные сопротивления R, jωL и 1/(jωC), где ω = 2πf. При последовательном соединении полные сопротивления складываются как сопротивления, но как комплексные числа. Действующие значения тока и напряжения подчиняются закону Ома с |Z|.
При резонансе реактивные сопротивления компенсируются, поэтому полное сопротивление равно просто R.
Это в Q = 15,08 раз больше напряжения источника.
ExamProblems · examproblems.com/courses/physics-2-electricity-and-magnetism