ฟิสิกส์ 2: ไฟฟ้าและแม่เหล็ก: ชุดสรุปเร่งรัด

สรุปสูตร ขั้นตอนวิธีทำที่สำคัญของทุกหัวข้อ และโจทย์ฝึก 10 ข้อ พร้อมเฉลยละเอียดไว้ท้ายเล่ม

โจทย์ใหม่กลับไปที่รายวิชา

ในหน้าต่างพิมพ์ ให้เลือก “บันทึกเป็น PDF” เพื่อเก็บสำเนาไว้ในอุปกรณ์ของคุณ

1สูตรและวิธีทำ

กฎของคูลอมบ์และสนามไฟฟ้า

กฎของคูลอมบ์: F = k·|q₁q₂|/r²
สนามของประจุจุด: E = k·|q|/r²
ค่าคงที่: k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C²
แรงบนประจุ: F = q·E

ตัวต้านทานอนุกรมและขนาน

ตัวต้านทานอนุกรม: R_eq = R₁ + R₂ + …
ตัวต้านทานขนาน: 1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂ + …
สองตัวขนานกัน: R_eq = R₁R₂ / (R₁ + R₂)
กฎของโอห์ม: V = I·R
กำลัง: P = V·I = I²R = V²/R

วิธีการ

เริ่มจากปลายของโครงข่ายที่ไกลจากขั้วที่สุด
รวมตัวต้านทานอนุกรมโดยบวกกัน และตัวต้านทานขนานด้วย 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
วาดวงจรใหม่หลังทุกขั้นตอน
ทำซ้ำจนเหลือตัวต้านทานตัวเดียวระหว่างขั้ว

ทรานเซียนต์ RC และ RL

ค่าคงตัวเวลา: τ = RC | τ = L/R
การตอบสนอง: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ
ตัวเก็บประจุที่ไฟฟ้ากระแสตรง: วงจรเปิด v_C กระโดดไม่ได้
ตัวเหนี่ยวนำที่ไฟฟ้ากระแสตรง: ลัดวงจร i_L กระโดดไม่ได้
นิ่งแล้ว: t ≈ 5τ

วิธีการ

หาค่าเริ่มต้นทันทีหลังสวิตช์: แรงดันตัวเก็บประจุและกระแสตัวเหนี่ยวนำกระโดดไม่ได้
หาค่าสุดท้ายเมื่อสวิตช์ผ่านไปนาน: ตัวเก็บประจุทำตัวเป็นวงจรเปิด ตัวเหนี่ยวนำทำตัวเป็นลัดวงจร
หาค่าคงตัวเวลา: τ = RC หรือ τ = L/R โดยใช้ความต้านทานที่ตัวเก็บประจุหรือตัวเหนี่ยวนำมองเห็น
ใช้ x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ

สนามแม่เหล็กและการเหนี่ยวนำ

เส้นลวดตรงยาว: B = μ₀I/(2πr)
จุดศูนย์กลางของขดลวดแบน: B = μ₀NI/(2R)
โซลินอยด์ยาว: B = μ₀nI, n = N/L
ค่าคงที่: μ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
แรงที่กระทำต่อเส้นลวด: F = BIL·sin θ
แรงบนประจุ: F = |q|vB·sin θ
การเคลื่อนที่เป็นวงกลม: r = mv/(|q|B), T = 2πm/(|q|B)
เส้นลวดขนาน: F/L = μ₀I₁I₂/(2πd)
ฟลักซ์: Φ = BA·cos θ
กฎของฟาราเดย์: ε = −N·ΔΦ/Δt
แท่งที่เคลื่อนที่: ε = BLv
เครื่องกำเนิดไฟฟ้า: E₀ = NBAω, E_rms = E₀/√2
ความเหนี่ยวนำ: ε = L·ΔI/Δt, L = μ₀N²A/l, W = ½LI²
ความเหนี่ยวนำร่วม: ε₂ = M·di₁/dt, M = k√(L₁L₂)
ตัวเลือกความเร็วและแมสสเปกโตรมิเตอร์: v = E/B, r = √(2mV/|q|)/B

วิธีการ

แปลงทุกปริมาณเป็นหน่วย SI: cm เป็น m, cm² เป็น m², mT และ µT เป็น T
เลือกสูตรให้ถูก: B = μ₀I/(2πr) สำหรับเส้นลวด, μ₀NI/(2R) สำหรับจุดศูนย์กลางของขดลวด, μ₀nI ภายในโซลินอยด์; F = BIL·sin θ หรือ |q|vB·sin θ สำหรับแรง
สำหรับการเหนี่ยวนำ ให้หาการเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์ ΔΦ = Δ(BA·cos θ) และใช้ ε = N·ΔΦ/Δt หรือ ε = BLv สำหรับแท่งที่เคลื่อนที่ และ NBAω สำหรับขดลวดที่หมุน
หาทิศทางแยกกันด้วยกฎมือขวา และกฎของเลนซ์สำหรับกระแสเหนี่ยวนำ

อิมพีแดนซ์กระแสสลับและเฟสเซอร์

อิมพีแดนซ์: Z_R = R, Z_L = jωL, Z_C = 1/(jωC)
ความถี่เชิงมุม: ω = 2πf
ขนาดและมุม: |Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
กฎของโอห์มแบบเฟสเซอร์: V = I·Z

วิธีการ

แปลงความถี่: ω = 2πf
หารีแอกแตนซ์แต่ละค่า: X_L = ωL และ X_C = 1/(ωC)
บวกอิมพีแดนซ์เหมือนตัวต้านทาน โดย Z = R + jX
หาขนาด |Z| = √(R² + X²) และมุม φ = atan(X/R) แล้วใช้กฎของโอห์มกับเฟสเซอร์

2โจทย์ฝึก

1.กฎของคูลอมบ์และสนามไฟฟ้าปานกลาง

ประจุ +6 µC และประจุ −1 µC อยู่ห่างกัน 60 cm จุด P อยู่บนเส้นตรงระหว่างประจุทั้งสอง ห่างจากประจุแรก 24 cm หาขนาดของสนามไฟฟ้า E ที่ P

q₁ = +6 µCq₂ = −1 µCr₁ = 24 cmr₂ = 36 cm

E = N/C

2.กฎของคูลอมบ์และสนามไฟฟ้ายาก

ประจุจุดบวกสามประจุอยู่ที่มุมของสามเหลี่ยมมุมฉาก: q₃ = 2 µC อยู่ที่มุมฉาก q₁ = 5 µC อยู่ห่างจากมันไป 3 cm ตามด้านหนึ่ง และ q₂ = 2 µC อยู่ห่างจากมันไป 4 cm ตามอีกด้านหนึ่ง หาขนาดของแรงไฟฟ้าลัพธ์ F ที่กระทำต่อ q₃

q₁ = 5 µCq₂ = 2 µCq₃ = 2 µCr₁₃ = 3 cmr₂₃ = 4 cm

F = N

3.ตัวต้านทานอนุกรมและขนานปานกลาง

หาความต้านทานสมมูล R_eq ที่แหล่งจ่าย V₁ มองเห็น

V₁ = 24 VR₁ = 15 ΩR₂ = 10 ΩR₃ = 2 ΩR₄ = 6 Ω

R_eq = Ω

4.ตัวต้านทานอนุกรมและขนานยาก

หาความต้านทานสมมูล R_eq ที่แหล่งจ่าย V₁ มองเห็น

V₁ = 5 VR₁ = 4 ΩR₂ = 10 ΩR₃ = 2 ΩR₄ = 5 ΩR₅ = 2 ΩR₆ = 3 Ω

R_eq = Ω

5.ทรานเซียนต์ RC และ RLปานกลาง

แหล่งกำเนิด Vₛ ประจุตัวเก็บประจุผ่าน R₁ และ R₂ ต่อขนานกับ C ตัวเก็บประจุยังไม่มีประจุเมื่อสวิตช์ปิดที่ t = 0 หาแรงดัน v_C คร่อมตัวเก็บประจุที่ t = 50 ms

V_s = 15 VR₁ = 3.3 kΩR₂ = 3.3 kΩC = 100 µFt = 50 ms

v_C = V

6.ทรานเซียนต์ RC และ RLยาก

ก่อนสวิตช์ปิดที่ t = 0 ตัวเก็บประจุเก็บแรงดัน 2 V ตามขั้วที่แสดง ใช้เวลานานเท่าใดให้ v_C ถึง 7.6 V หา t

V_s = 9 VR = 10 kΩC = 68 µFv_C(0) = 2 V

t = ms

7.สนามแม่เหล็กและการเหนี่ยวนำปานกลาง

แท่งโลหะยาว 100 cm เลื่อนด้วย 3 m/s ตามรางสองเส้นในสนามสม่ำเสมอ 0.8 T พุ่งเข้าหน้ากระดาษ จงหา emf เหนี่ยวนำ ε ระหว่างปลายทั้งสองของมัน

B = 0.8 TL = 100 cmv = 3 m/s

ε = V

8.สนามแม่เหล็กและการเหนี่ยวนำยาก

ขดลวด 200 รอบ ขนาด 8 cm × 5 cm หมุนที่ 300 rpm ในสนามสม่ำเสมอ 0.3 T รอบแกนที่ตั้งฉากกับสนาม จงหา emf สูงสุด E₀

N = 200A = 8 cm × 5 cmB = 0.3 Tn = 300 rpm

E₀ = V

9.อิมพีแดนซ์กระแสสลับและเฟสเซอร์ปานกลาง

วงจร RLC อนุกรมต่อกับแหล่งจ่าย 24 V (rms) 100 Hz จงหากำลังจริง P ที่ดึงจากแหล่งจ่าย

V = 24 V (rms)f = 100 HzR = 15 ΩL = 20 mHC = 22 µF

P = W

10.อิมพีแดนซ์กระแสสลับและเฟสเซอร์ยาก

วงจร RLC อนุกรมถูกขับด้วยแหล่งกำเนิด 5 V (rms) ซึ่งตั้งความถี่ไว้ที่ความถี่เรโซแนนซ์ของวงจร จงหาแรงดัน rms V_L ตกคร่อมตัวเหนี่ยวนำ

V = 5 V (rms)R = 5 ΩL = 200 mHC = 10 µF

V_L = V

3สารละลาย

1.กฎของคูลอมบ์และสนามไฟฟ้า

คำตอบ: E = 1.006 × 10⁶ N/C

กฎของคูลอมบ์: ประจุจุดสองประจุดึงดูดหรือผลักกันด้วย F = k·|q₁·q₂|/r² โดย k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C² สนามของประจุจุดคือ E = k·|q|/r² ชี้ออกจากประจุบวกและเข้าหาประจุลบ แรงและสนามจากประจุหลายตัวบวกกันแบบเวกเตอร์

สนามของแต่ละประจุ

E₁ = k·6 × 10⁻⁶/0.24² = 936458 N/C

E₂ = k·1 × 10⁻⁶/0.36² = 69367 N/C

ทิศทางและผลรวม

สนามแรกชี้ออกจากประจุบวกและสนามที่สองชี้เข้าหาประจุลบ: ทั้งสองชี้ไปทางเดียวกัน

E = |936458 + 69367| = 1.006 × 10⁶ N/C

คำตอบ

E = 1.006 × 10⁶ N/C

2.กฎของคูลอมบ์และสนามไฟฟ้า

คำตอบ: F = 102.4 N

แรงแต่ละแรงที่กระทำต่อ q₃

F₁ = k·5·2 × 10⁻¹²/0.03² = 99.89 N

F₂ = k·2·2 × 10⁻¹²/0.04² = 22.47 N

ผลรวมเวกเตอร์

F = √(99.89² + 22.47²) = 102.4 N

คำตอบ

F = 102.4 N

3.ตัวต้านทานอนุกรมและขนาน

คำตอบ: R_eq = 19.44 Ω

ตัวต้านทานอนุกรมและขนาน: ในการต่ออนุกรม กระแสเดียวกันไหลผ่านตัวต้านทานแต่ละตัว และ R = R₁ + R₂ + … ในการต่อขนาน ตัวต้านทานแต่ละตัวมีแรงดันเท่ากัน และ 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + … วงจรแบบบันไดลดรูปทีละคู่จนเหลือความต้านทานสมมูลเพียงค่าเดียว

รวมตัวต้านทานจากปลายสุด

เริ่มจากปลายที่ไกลจากแหล่งจ่ายที่สุดแล้วไล่กลับมาหาแหล่งจ่าย ตัวต้านทานที่มีกระแสเท่ากันต่ออนุกรมกัน ตัวต้านทานที่คร่อมโหนดคู่เดียวกันต่อขนานกัน

R₃ + R₄ = 2 + 6 = 8 Ω

R₂ ∥ 8 = 10·8/(10+8) = 4.444 Ω

R_eq = R₁ + 4.444 = 15 + 4.444 = 19.44 Ω

คำตอบ

R_eq = 19.44 Ω

4.ตัวต้านทานอนุกรมและขนาน

คำตอบ: R_eq = 7.103 Ω

รวมตัวต้านทานจากปลายสุด

R₅ + R₆ = 2 + 3 = 5 Ω

R₄ ∥ 5 = 2.5 Ω

R₃ + 2.5 = 4.5 Ω

R₂ ∥ 4.5 = 3.103 Ω

R_eq = R₁ + 3.103 = 4 + 3.103 = 7.103 Ω

คำตอบ

R_eq = 7.103 Ω

5.ทรานเซียนต์ RC และ RL

คำตอบ: v_C = 1.961 V

ทรานเซียนต์อันดับหนึ่ง: ในวงจรที่มีตัวเก็บประจุหนึ่งตัวหรือตัวเหนี่ยวนำหนึ่งตัว แรงดันและกระแสทุกค่าเปลี่ยนแบบเอกซ์โพเนนเชียลจากค่าเริ่มต้นไปยังค่าสุดท้าย: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ โดย τ = RC หรือ τ = L/R หลังจากประมาณ 5τ วงจรจะนิ่งแล้ว

วงจรสมมูลเทวินินที่ตัวเก็บประจุมองเห็น

ลัดวงจรแหล่งกำเนิดเพื่อหา R_th เปิดวงจรตัวเก็บประจุเพื่อหาแรงดันที่มันจะเข้าสู่

R_th = R₁ ∥ R₂ = 3.3·3.3/(3.3 + 3.3) = 1.65 kΩ

v_C(∞) = 15·3.3/(3.3 + 3.3) = 7.5 V

ค่าคงตัวเวลา

τ = R_th·C = 1.65·100 = 165 ms

เส้นโค้งการประจุ

v_C(t) = 7.5·(1 − e^−50/165) = 1.961 V

คำตอบ

v_C = 1.961 V

6.ทรานเซียนต์ RC และ RL

คำตอบ: t = 1094 ms

ค่าเริ่มต้น ค่าสุดท้าย ค่าคงตัวเวลา

แรงดันคร่อมตัวเก็บประจุไม่สามารถกระโดดได้ จึงเริ่มจากค่าที่เก็บไว้และมุ่งไปสู่แรงดันของแหล่งจ่าย

v_C(0) = 2 V, v_C(∞) = V_s = 9 V

τ = R·C = 10 kΩ · 68 µF = 680 ms

v_C(t) = 9 + (2 − 9)·e^−t/τ

แก้สมการหาเวลา

7.6 = 9 + (−7)·e^−t/τ → e^−t/τ = (7.6 − 9)/(2 − 9) = 0.2

t = τ·ln((2 − 9)/(7.6 − 9)) = 680·ln(5) = 1094 ms

คำตอบ

t = 1094 ms

7.สนามแม่เหล็กและการเหนี่ยวนำ

คำตอบ: ε = 2.4 V

การเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า: ฟลักซ์ผ่านลูปคือ Φ = BA·cos θ โดย θ คือมุมระหว่าง B กับเส้นแนวฉากของลูป กฎของฟาราเดย์: การเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์เหนี่ยวนำ emf = −N·dΦ/dt ในขดลวด N รอบ และกฎของเลนซ์บอกว่ากระแสเหนี่ยวนำไหลในทิศที่สนามของมันเองต้านการเปลี่ยนแปลง แท่งที่เคลื่อนที่ตัดสนามให้ emf = BLv ขดลวดที่หมุนด้วย ω ให้ e = NBAω·sin ωt ค่าสูงสุด NBAω ความเหนี่ยวนำในตัวเอง: emf = −L·di/dt โดย L = μ₀N²A/l สำหรับโซลินอยด์ยาว และพลังงานที่สะสมคือ W = ½LI² ขดลวดควบคู่สองขด: emf₂ = −M·di₁/dt โดย M = k√(L₁L₂)

emf จากการเคลื่อนที่

ε = BLv = 0.8·1·3 = 2.4 V

คำตอบ

ε = 2.4 V

8.สนามแม่เหล็กและการเหนี่ยวนำ

คำตอบ: E₀ = 7.54 V

อัตราเร็วเชิงมุมและพื้นที่

ω = 2π·300/60 = 31.42 rad/s

A = 0.004 m²

emf สูงสุด

E₀ = NBAω = 200·0.3·0.004·31.42 = 7.54 V

คำตอบ

E₀ = 7.54 V

9.อิมพีแดนซ์กระแสสลับและเฟสเซอร์

คำตอบ: P = 2.275 W

วงจรกระแสสลับด้วยเฟสเซอร์: ตัวต้านทาน ตัวเหนี่ยวนำ และตัวเก็บประจุมีอิมพีแดนซ์ R, jωL และ 1/(jωC) โดย ω = 2πf ในการต่ออนุกรม อิมพีแดนซ์บวกกันเหมือนความต้านทาน แต่เป็นจำนวนเชิงซ้อน กระแสและแรงดัน rms เป็นไปตามกฎของโอห์มโดยใช้ |Z|

รีแอกแตนซ์

X_L = 12.57 Ω, X_C = 72.34 Ω

อิมพีแดนซ์

|Z| = √(15² + (−59.78)²) = 61.63 Ω

กำลังจริง

ตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุเพียงสะสมแล้วคืนพลังงาน ตัวต้านทานดูดกำลังจริงทั้งหมด

I = 24/61.63 = 0.3894 A

P = I²·R = 0.3894²·15 = 2.275 W

คำตอบ

P = 2.275 W

10.อิมพีแดนซ์กระแสสลับและเฟสเซอร์

คำตอบ: V_L = 141.4 V

เรโซแนนซ์

ที่เรโซแนนซ์ รีแอกแตนซ์หักล้างกัน อิมพีแดนซ์จึงเท่ากับ R เท่านั้น

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.2·10·10⁻⁶) = 707.1 rad/s

I = V/R = 5/5 = 1 A

แรงดันตกคร่อมตัวเหนี่ยวนำ

X_L = ω₀L = 707.1·0.2 = 141.4 Ω

V_L = I·X_L = 1·141.4 = 141.4 V

คำตอบ

V_L = 141.4 V

นี่คือ Q = 28.28 เท่าของแรงดันแหล่งจ่าย

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