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 +1 µC และประจุ +5 µC อยู่ห่างกัน 50 cm จุด P อยู่บนเส้นตรงระหว่างประจุทั้งสอง ห่างจากประจุแรก 25 cm หาขนาดของสนามไฟฟ้า E ที่ P

q₁ = +1 µCq₂ = +5 µCr₁ = 25 cmr₂ = 25 cm

E = N/C

2.กฎของคูลอมบ์และสนามไฟฟ้ายาก

ประจุจุดบวกสามประจุอยู่ที่มุมของสามเหลี่ยมมุมฉาก: q₃ = 4 µC อยู่ที่มุมฉาก q₁ = 4 µC อยู่ห่างจากมันไป 6 cm ตามด้านหนึ่ง และ q₂ = 4 µC อยู่ห่างจากมันไป 5 cm ตามอีกด้านหนึ่ง หาขนาดของแรงไฟฟ้าลัพธ์ F ที่กระทำต่อ q₃

q₁ = 4 µCq₂ = 4 µCq₃ = 4 µCr₁₃ = 6 cmr₂₃ = 5 cm

F = N

3.ตัวต้านทานอนุกรมและขนานปานกลาง

หากระแส I_R2 ผ่าน R₂

V₁ = 30 VR₁ = 4 ΩR₂ = 10 ΩR₃ = 4 ΩR₄ = 5 Ω

I_R2 = A

4.ตัวต้านทานอนุกรมและขนานยาก

หากระแส I_R2 ผ่าน R₂

V₁ = 5 VR₁ = 15 ΩR₂ = 25 ΩR₃ = 20 ΩR₄ = 30 ΩR₅ = 20 ΩR₆ = 3 Ω

I_R2 = A

5.ทรานเซียนต์ RC และ RLปานกลาง

ตัวเหนี่ยวนำไม่มีกระแสก่อนที่สวิตช์จะปิดที่ t = 0 จงหาพลังงาน W ที่สะสมในตัวเหนี่ยวนำที่ t = 60 ms ใน mJ

V_s = 15 VR = 5 ΩL = 150 mHt = 60 ms

W = mJ

6.ทรานเซียนต์ RC และ RLยาก

สวิตช์คร่อม R₂ ปิดมานานแล้ว กระแสตัวเหนี่ยวนำจึงคงตัว ที่ t = 0 สวิตช์เปิด จงหากระแสตัวเหนี่ยวนำ i ที่ t = 1 ms

V_s = 9 VR₁ = 15 ΩR₂ = 47 ΩL = 68 mHt = 1 ms

i = A

7.สนามแม่เหล็กและการเหนี่ยวนำปานกลาง

ขดลวด 100 รอบมีพื้นที่ 20 cm² ขดลวดอยู่ในสนามสม่ำเสมอ 0.8 T ตั้งฉากกับระนาบของขดลวด และปิดสนามภายใน 500 ms จงหา emf เหนี่ยวนำเฉลี่ย ε

N = 100A = 20 cm²B = 0.8 TΔt = 500 ms

ε = mV

8.สนามแม่เหล็กและการเหนี่ยวนำยาก

โซลินอยด์ยาวแกนอากาศมี 1000 รอบ ความยาว 15 cm และเส้นผ่านศูนย์กลาง 2 cm จงหาความเหนี่ยวนำในตัวเอง L

N = 1000l = 15 cm⌀ = 2 cmμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A

L = mH

9.อิมพีแดนซ์กระแสสลับและเฟสเซอร์ปานกลาง

วงจร RLC อนุกรมต่อกับแหล่งจ่าย 24 V (rms) 1000 Hz หากระแส rms I

V = 24 V (rms)f = 1000 HzR = 15 ΩL = 20 mHC = 22 µF

I = A

10.อิมพีแดนซ์กระแสสลับและเฟสเซอร์ยาก

วงจร RLC อนุกรมมี R = 20 Ω, L = 10 mH และ C = 0.1 µF จงหาตัวประกอบคุณภาพ Q ที่เรโซแนนซ์

R = 20 ΩL = 10 mHC = 0.1 µF

Q =

3สารละลาย

1.กฎของคูลอมบ์และสนามไฟฟ้า

คำตอบ: E = 575360 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·1 × 10⁻⁶/0.25² = 143840 N/C

E₂ = k·5 × 10⁻⁶/0.25² = 719200 N/C

ทิศทางและผลรวม

ประจุทั้งสองเป็นบวก: ที่ P สนามของทั้งสองชี้ออกจากประจุแต่ละตัว จึงอยู่ในทิศตรงข้ามกัน

E = |143840 − 719200| = 575360 N/C

คำตอบ

E = 575360 N/C

2.กฎของคูลอมบ์และสนามไฟฟ้า

คำตอบ: F = 70.05 N

แรงแต่ละแรงที่กระทำต่อ q₃

F₁ = k·4·4 × 10⁻¹²/0.06² = 39.96 N

F₂ = k·4·4 × 10⁻¹²/0.05² = 57.54 N

ผลรวมเวกเตอร์

F = √(39.96² + 57.54²) = 70.05 N

คำตอบ

F = 70.05 N

3.ตัวต้านทานอนุกรมและขนาน

คำตอบ: I_R2 = 1.627 A

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

รวมตัวต้านทานจากปลายสุด

เริ่มจากปลายที่ไกลจากแหล่งจ่ายที่สุดแล้วไล่กลับมาหาแหล่งจ่าย ตัวต้านทานที่มีกระแสเท่ากันต่ออนุกรมกัน ตัวต้านทานที่คร่อมโหนดคู่เดียวกันต่อขนานกัน

R₃ + R₄ = 4 + 5 = 9 Ω

R₂ ∥ 9 = 10·9/(10+9) = 4.737 Ω

R_eq = R₁ + 4.737 = 4 + 4.737 = 8.737 Ω

กระแสจากแหล่งจ่าย

แหล่งจ่ายเห็นเพียง R_eq ดังนั้นกฎของโอห์มจึงให้กระแสที่มันจ่ายออกมา กระแสนั้นไหลผ่าน R₁

I_R1 = V₁/R_eq = 30/8.737 = 3.434 A

กระแสผ่าน R₂

ลบแรงดันตกคร่อม R₁ เพื่อให้ได้แรงดันที่โหนด A ซึ่งเป็นแรงดันคร่อม R₂

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 30 − 3.434·4 = 16.27 V

I_R2 = V_A/R₂ = 16.27/10 = 1.627 A

คำตอบ

I_R2 = 1.627 A

4.ตัวต้านทานอนุกรมและขนาน

คำตอบ: I_R2 = 0.09736 A

รวมตัวต้านทานจากปลายสุด

R₅ + R₆ = 20 + 3 = 23 Ω

R₄ ∥ 23 = 13.02 Ω

R₃ + 13.02 = 33.02 Ω

R₂ ∥ 33.02 = 14.23 Ω

R_eq = R₁ + 14.23 = 15 + 14.23 = 29.23 Ω

กระแสจากแหล่งจ่าย

I_R1 = V₁/R_eq = 5/29.23 = 0.1711 A

กระแสผ่าน R₂

ลบแรงดันตกคร่อม R₁ เพื่อให้ได้แรงดันที่โหนด A ซึ่งเป็นแรงดันคร่อม R₂

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 5 − 0.1711·15 = 2.434 V

I_R2 = V_A/R₂ = 2.434/25 = 0.09736 A

คำตอบ

I_R2 = 0.09736 A

5.ทรานเซียนต์ RC และ RL

คำตอบ: W = 504.7 mJ

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

ค่าคงตัวเวลาและกระแสสุดท้าย

เมื่อสวิตช์ปิดไปนานแล้ว ตัวเหนี่ยวนำทำตัวเหมือนลัดวงจร กระแสสุดท้ายจึงขึ้นกับ R เพียงตัวเดียว

τ = L/R = 150 mH / 5 Ω = 30 ms

i(∞) = V_s/R = 15/5 = 3 A

กระแสที่เวลาที่กำหนด

i(t) = 3·(1 − e^−60/30) = 2.594 A

พลังงานที่สะสม

W = ½·L·i² = ½·150·2.594² = 504.7 mJ

คำตอบ

W = 504.7 mJ

6.ทรานเซียนต์ RC และ RL

คำตอบ: i = 0.3279 A

ค่าเริ่มต้น ค่าสุดท้าย ค่าคงตัวเวลา

ก่อน t = 0 สวิตช์ที่ปิดอยู่ข้าม R₂ หลังจากนั้น R₁ และ R₂ อยู่ในวงจรทั้งคู่

i(0) = 9/15 = 0.6 A

i(∞) = 9/(15 + 47) = 0.1452 A

τ = L/R = 68/62 = 1.097 ms

i(t) = 0.1452 + (0.6 − 0.1452)·e^−t/τ

กระแสที่เวลาที่กำหนด

i(1) = 0.1452 + (0.4548)·e^−1/1.097 = 0.3279 A

คำตอบ

i = 0.3279 A

7.สนามแม่เหล็กและการเหนี่ยวนำ

คำตอบ: ε = 320 mV

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)

การเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์ต่อรอบ

ΔΦ = 0.8·0.002 = 0.0016 Wb

emf เฉลี่ย

ε = NΔΦ/Δt = 100·0.0016/0.5 = 0.32 V

คำตอบ

ε = 320 mV

8.สนามแม่เหล็กและการเหนี่ยวนำ

คำตอบ: L = 2.632 mH

หน้าตัด

A = π·(0.01)² = 0.0003142 m²

ความเหนี่ยวนำในตัวเอง

L = μ₀N²A/l = 4π × 10⁻⁷·1000²·0.0003142/0.15 = 0.002632 H = 2.632 mH

คำตอบ

L = 2.632 mH

9.อิมพีแดนซ์กระแสสลับและเฟสเซอร์

คำตอบ: I = 0.201 A

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

รีแอกแตนซ์

ω = 2πf = 2π·1000 = 6283 rad/s

X_L = ωL = 6283·0.02 = 125.7 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(6283·22·10⁻⁶) = 7.234 Ω

อิมพีแดนซ์

ในการต่ออนุกรม อิมพีแดนซ์บวกกันเป็นจำนวนเชิงซ้อน: Z = R + j(X_L − X_C)

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(15² + (118.4)²) = 119.4 Ω

กระแส

กระแสเดียวกันไหลผ่านทุกองค์ประกอบของวงจรอนุกรม

I = V/|Z| = 24/119.4 = 0.201 A

คำตอบ

I = 0.201 A

10.อิมพีแดนซ์กระแสสลับและเฟสเซอร์

คำตอบ: Q = 15.81

ความถี่เรโซแนนซ์

f₀ = 1/(2π·√(0.01·0.1·10⁻⁶)) = 5033 Hz

ตัวประกอบคุณภาพ

Q เปรียบเทียบรีแอกแตนซ์ที่เรโซแนนซ์กับความต้านทาน: Q = ω₀L/R

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/20)·√(0.01/(0.1·10⁻⁶)) = 15.81

คำตอบ

Q = 15.81

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