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

ประจุจุดสามประจุอยู่บนเส้นตรง: −5 µC ทางซ้าย +8 µC ทางขวาห่างออกไป 30 cm และ −10 µC อยู่ระหว่างกลางห่างจากประจุซ้าย 22.5 cm จงหาขนาดของแรงไฟฟ้าลัพธ์ F ที่กระทำต่อประจุตรงกลาง Use k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C².

q_L = −5 µCq_R = +8 µCq_M = −10 µCr_L = 22.5 cmr_R = 7.5 cm

F = N

2.กฎของคูลอมบ์และสนามไฟฟ้ายาก

อิเล็กตรอนเข้าสู่สนามสม่ำเสมอระหว่างแผ่นขนานสองแผ่นโดยเคลื่อนที่ขนานกับแผ่นด้วย 2.5 × 10⁷ m/s แผ่นยาว 3 cm และสนามระหว่างแผ่นคือ 4500 N/C ประจุอิเล็กตรอน 1.602 × 10⁻¹⁹ C มวล 9.109 × 10⁻³¹ kg ไม่คิดแรงโน้มถ่วง มันเบนไปด้านข้างไกลเท่าใด y เมื่อออกจากแผ่น ตอบเป็น mm

v₀ = 2.5 × 10⁷ m/sL = 3 cmE = 4500 N/Ce = 1.602 × 10⁻¹⁹ Cm_e = 9.109 × 10⁻³¹ kg

y = mm

3.ตัวต้านทานอนุกรมและขนานปานกลาง

หากระแส I_R1 ที่แหล่งจ่ายจ่ายออกมา ซึ่งไหลผ่าน R₁

V₁ = 24 VR₁ = 12 ΩR₂ = 20 ΩR₃ = 5 ΩR₄ = 15 Ω

I_R1 = A

4.ตัวต้านทานอนุกรมและขนานยาก

หากระแส I_R1 ที่แหล่งจ่ายจ่ายออกมา ซึ่งไหลผ่าน R₁

V₁ = 10 VR₁ = 12 ΩR₂ = 10 ΩR₃ = 8 ΩR₄ = 4 ΩR₅ = 25 ΩR₆ = 20 Ω

I_R1 = A

5.ทรานเซียนต์ RC และ RLปานกลาง

ตัวเหนี่ยวนำไม่มีกระแสก่อนที่สวิตช์จะปิดที่ t = 0 หลังจากสวิตช์ปิดนานเท่าใดกระแสจึงถึง 75% ของค่าสุดท้าย หา t

V_s = 24 VR = 10 ΩL = 150 mH

t = ms

6.ทรานเซียนต์ RC และ RLยาก

ตัวตั้งเวลาเริ่มประจุตัวเก็บประจุที่ไม่มีประจุผ่านตัวต้านทานจากแหล่งจ่าย 12 V ที่ t = 0 ต้องทริกเกอร์เมื่อแรงดันตัวเก็บประจุถึง 7.58 V พอดี 200 ms หลังเริ่ม เมื่อ C = 4.7 µF จงหาความต้านทาน R ที่ต้องการ

V_s = 12 VV_th = 7.58 VT = 200 msC = 4.7 µF

R = kΩ

7.สนามแม่เหล็กและการเหนี่ยวนำปานกลาง

ขดลวด 200 รอบ พื้นที่ 10 cm² และความต้านทาน 8 Ω ต่อเป็นวงจรปิด สนามสม่ำเสมอที่ตั้งฉากกับขดลวดเพิ่มขึ้นอย่างสม่ำเสมอจาก 0.2 T เป็น 0.6 T ใน 250 ms จงหากระแสเหนี่ยวนำเฉลี่ย I

N = 200A = 10 cm²B: 0.2 T → 0.6 TΔt = 250 msR = 8 Ω

I = mA

8.สนามแม่เหล็กและการเหนี่ยวนำยาก

ขดลวด 150 รอบ ขนาด 15 cm × 5 cm หมุนที่ 600 rpm ในสนามสม่ำเสมอ 0.5 T รอบแกนที่ตั้งฉากกับสนาม จงหา emf สูงสุด E₀

N = 150A = 15 cm × 5 cmB = 0.5 Tn = 600 rpm

E₀ = V

9.อิมพีแดนซ์กระแสสลับและเฟสเซอร์ปานกลาง

วงจร RLC อนุกรมที่มี C = 4.7 µF ต้องเรโซแนนซ์ที่ 5000 Hz จงหาความเหนี่ยวนำ L ที่ต้องการ

f₀ = 5000 HzC = 4.7 µF

L = mH

10.อิมพีแดนซ์กระแสสลับและเฟสเซอร์ยาก

วงจร RLC อนุกรมถูกขับด้วยแหล่งกำเนิด 12 V (rms) ซึ่งตั้งความถี่ไว้ที่ความถี่เรโซแนนซ์ของวงจร จงหาแรงดัน rms V_L ตกคร่อมตัวเหนี่ยวนำ

V = 12 V (rms)R = 15 ΩL = 100 mHC = 1 µF

V_L = V

3สารละลาย

1.กฎของคูลอมบ์และสนามไฟฟ้า

คำตอบ: F = 136.7 N

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.

แรงจากแต่ละประจุ

ขวาเป็นบวก

F_L = +k·5·10 × 10⁻¹²/0.225² = 8.879 N

F_R = +k·8·10 × 10⁻¹²/0.075² = 127.9 N

แรงลัพธ์

F = 8.879 + (127.9) = 136.7 N → |F| = 136.7 N

คำตอบ

F = 136.7 N

แรงลัพธ์ชี้ไปทางขวา

2.กฎของคูลอมบ์และสนามไฟฟ้า

คำตอบ: y = 0.5698 mm

เวลาระหว่างแผ่น

t = L/v₀ = 0.03/2.5 × 10⁷ = 1.2 × 10⁻⁹ s

ความเร่งด้านข้าง

a = e·E/m = 1.602 × 10⁻¹⁹·4500/9.109 × 10⁻³¹ = 7.914 × 10¹⁴ m/s²

ระยะแอ่น

y = ½·a·t² = ½·7.914 × 10¹⁴·(1.2 × 10⁻⁹)² = 0.0005698 m = 0.5698 mm

คำตอบ

y = 0.5698 mm

อิเล็กตรอนถูกผลักไปทางแผ่นบวก ตรงข้ามกับทิศทางของสนาม

3.ตัวต้านทานอนุกรมและขนาน

คำตอบ: I_R1 = 1.091 A

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

รวมตัวต้านทานจากปลายสุด

เริ่มจากปลายที่ไกลจากแหล่งจ่ายที่สุดแล้วไล่กลับมาหาแหล่งจ่าย ตัวต้านทานที่มีกระแสเท่ากันต่ออนุกรมกัน ตัวต้านทานที่คร่อมโหนดคู่เดียวกันต่อขนานกัน

R₃ + R₄ = 5 + 15 = 20 Ω

R₂ ∥ 20 = 20·20/(20+20) = 10 Ω

R_eq = R₁ + 10 = 12 + 10 = 22 Ω

กระแสจากแหล่งจ่าย

แหล่งจ่ายเห็นเพียง R_eq ดังนั้นกฎของโอห์มจึงให้กระแสที่มันจ่ายออกมา กระแสนั้นไหลผ่าน R₁

I_R1 = V₁/R_eq = 24/22 = 1.091 A

คำตอบ

I_R1 = 1.091 A

4.ตัวต้านทานอนุกรมและขนาน

คำตอบ: I_R1 = 0.5752 A

รวมตัวต้านทานจากปลายสุด

R₅ + R₆ = 25 + 20 = 45 Ω

R₄ ∥ 45 = 3.673 Ω

R₃ + 3.673 = 11.67 Ω

R₂ ∥ 11.67 = 5.386 Ω

R_eq = R₁ + 5.386 = 12 + 5.386 = 17.39 Ω

กระแสจากแหล่งจ่าย

I_R1 = V₁/R_eq = 10/17.39 = 0.5752 A

คำตอบ

I_R1 = 0.5752 A

5.ทรานเซียนต์ RC และ RL

คำตอบ: t = 20.79 ms

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 / 10 Ω = 15 ms

i(∞) = V_s/R = 24/10 = 2.4 A

แก้สมการหาเวลา

0.75 = 1 − e^−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0.75)

t = −15·ln(0.25) = 20.79 ms

คำตอบ

t = 20.79 ms

6.ทรานเซียนต์ RC และ RL

คำตอบ: R = 42.61 kΩ

ค่าคงที่เวลาที่ต้องการ

7.58 = 12·(1 − e^−200/τ) → τ = 200/ln(12/(12 − 7.58))

τ = 200/0.9988 = 200.2 ms

ความต้านทาน

kΩ คูณ µF ได้มิลลิวินาที

R = τ/C = 200.2/4.7 = 42.61 kΩ

คำตอบ

R = 42.61 kΩ

7.สนามแม่เหล็กและการเหนี่ยวนำ

คำตอบ: I = 40 mA

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 = (0.6 − 0.2)·0.001 = 0.0004 Wb

emf เฉลี่ย

ε = NΔΦ/Δt = 200·0.0004/0.25 = 0.32 V

กระแส

I = ε/R = 0.32/8 = 0.04 A

คำตอบ

I = 40 mA

8.สนามแม่เหล็กและการเหนี่ยวนำ

คำตอบ: E₀ = 35.34 V

อัตราเร็วเชิงมุมและพื้นที่

ω = 2π·600/60 = 62.83 rad/s

A = 0.0075 m²

emf สูงสุด

E₀ = NBAω = 150·0.5·0.0075·62.83 = 35.34 V

คำตอบ

E₀ = 35.34 V

9.อิมพีแดนซ์กระแสสลับและเฟสเซอร์

คำตอบ: L = 0.2156 mH

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

เงื่อนไขเรโซแนนซ์

ที่เรโซแนนซ์ รีแอกแตนซ์เชิงเหนี่ยวนำและเชิงความจุหักล้างกัน: ωL = 1/(ωC)

ω₀ = 2π·5000 = 31416 rad/s

L = 1/(ω₀²·C) = 1/(31416²·4.7·10⁻⁶) = 0.2156 mH

คำตอบ

L = 0.2156 mH

10.อิมพีแดนซ์กระแสสลับและเฟสเซอร์

คำตอบ: V_L = 253 V

เรโซแนนซ์

ที่เรโซแนนซ์ รีแอกแตนซ์หักล้างกัน อิมพีแดนซ์จึงเท่ากับ R เท่านั้น

ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0.1·1·10⁻⁶) = 3162 rad/s

I = V/R = 12/15 = 0.8 A

แรงดันตกคร่อมตัวเหนี่ยวนำ

X_L = ω₀L = 3162·0.1 = 316.2 Ω

V_L = I·X_L = 0.8·316.2 = 253 V

คำตอบ

V_L = 253 V

นี่คือ Q = 21.08 เท่าของแรงดันแหล่งจ่าย

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