กฎของคูลอมบ์และสนามไฟฟ้า
- กฎของคูลอมบ์
- F = k·|q1q2|/r²
- สนามของประจุจุด
- E = k·|q|/r²
- ค่าคงที่
- k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C²
- แรงบนประจุ
- F = q·E
ฟิสิกส์ 2: ไฟฟ้าและแม่เหล็ก: ชุดสรุปเร่งรัด
สรุปสูตร ขั้นตอนวิธีทำที่สำคัญของทุกหัวข้อ และโจทย์ฝึก 10 ข้อ พร้อมเฉลยละเอียดไว้ท้ายเล่ม
1สูตรและวิธีทำ
ตัวต้านทานอนุกรมและขนาน
- ตัวต้านทานอนุกรม
- Req = R1 + R2 + …
- ตัวต้านทานขนาน
- 1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
- สองตัวขนานกัน
- Req = 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 vC กระโดดไม่ได้
- ตัวเหนี่ยวนำที่ไฟฟ้ากระแสตรง
- ลัดวงจร iL 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, Erms = 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
- ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
- ความถี่เชิงมุม
- ω = 2πf
- ขนาดและมุม
- |Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
- กฎของโอห์มแบบเฟสเซอร์
- V = I·Z
วิธีการ
- แปลงความถี่: ω = 2πf
- หารีแอกแตนซ์แต่ละค่า: XL = ωL และ XC = 1/(ωC)
- บวกอิมพีแดนซ์เหมือนตัวต้านทาน โดย Z = R + jX
- หาขนาด |Z| = √(R² + X²) และมุม φ = atan(X/R) แล้วใช้กฎของโอห์มกับเฟสเซอร์
2โจทย์ฝึก
1.กฎของคูลอมบ์และสนามไฟฟ้าปานกลาง
ประจุจุดสามประจุอยู่บนเส้นตรง: +6 µC ทางซ้าย −10 µC ทางขวาห่างออกไป 10 cm และ +3 µC อยู่ระหว่างกลางห่างจากประจุซ้าย 5 cm จงหาขนาดของแรงไฟฟ้าลัพธ์ F ที่กระทำต่อประจุตรงกลาง Use k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C².
qL = +6 µCqR = −10 µCqM = +3 µCrL = 5 cmrR = 5 cm
F = N
2.กฎของคูลอมบ์และสนามไฟฟ้ายาก
ประจุจุดบวกสามประจุอยู่ที่มุมของสามเหลี่ยมมุมฉาก: q₃ = 4 µC อยู่ที่มุมฉาก q₁ = 8 µC อยู่ห่างจากมันไป 3 cm ตามด้านหนึ่ง และ q₂ = 6 µC อยู่ห่างจากมันไป 10 cm ตามอีกด้านหนึ่ง หาขนาดของแรงไฟฟ้าลัพธ์ F ที่กระทำต่อ q₃
q1 = 8 µCq2 = 6 µCq3 = 4 µCr13 = 3 cmr23 = 10 cm
F = N
3.ตัวต้านทานอนุกรมและขนานปานกลาง
หาความต้านทานสมมูล Req ที่แหล่งจ่าย V1 มองเห็น
V1 = 6 VR1 = 2 ΩR2 = 6 ΩR3 = 5 ΩR4 = 15 Ω
Req = Ω
4.ตัวต้านทานอนุกรมและขนานยาก
หาความต้านทานสมมูล Req ที่แหล่งจ่าย V1 มองเห็น
V1 = 18 VR1 = 15 ΩR2 = 25 ΩR3 = 5 ΩR4 = 4 ΩR5 = 15 ΩR6 = 30 Ω
Req = Ω
5.ทรานเซียนต์ RC และ RLปานกลาง
ตัวเหนี่ยวนำมีกระแสคงที่ 1.5 A ที่ t = 0 สวิตช์ปิดวงจรผ่าน R และแหล่งกำเนิดถูกถอดออก กระแสตัวเหนี่ยวนำจึงลดลงผ่าน R หากระแส i ที่ t = 1 ms
i(0) = 1.5 AR = 100 ΩL = 47 mHt = 1 ms
i = A
6.ทรานเซียนต์ RC และ RLยาก
ก่อนสวิตช์ปิดที่ t = 0 ตัวเก็บประจุเก็บแรงดัน 20 V ตามขั้วที่แสดง หาแรงดัน vC คร่อมตัวเก็บประจุที่ t = 80 ms
Vs = 24 VR = 1 kΩC = 33 µFvC(0) = 20 Vt = 80 ms
vC = V
7.สนามแม่เหล็กและการเหนี่ยวนำปานกลาง
ลูปสี่เหลี่ยมจัตุรัสเคลื่อนที่ไปทางขวาเข้าสู่บริเวณที่มีสนามแม่เหล็กสม่ำเสมอชี้เข้าหน้ากระดาษ ให้คลิกทิศทางของกระแสเหนี่ยวนำในลูปตามที่เห็นในรูป ขณะที่ลูปกำลังเข้าสู่สนาม
B: เข้าหน้ากระดาษกำลังเข้าสู่สนาม
- 1ตามเข็มนาฬิกา
- 2ทวนเข็มนาฬิกา
8.สนามแม่เหล็กและการเหนี่ยวนำยาก
ขดลวดสั้น 200 รอบพันแน่นรอบกึ่งกลางของโซลินอยด์ยาว 1500 รอบ ความยาว 50 cm และเส้นผ่านศูนย์กลาง 2 cm จงหาความเหนี่ยวนำร่วม M ของทั้งสอง
N1 = 1500N2 = 200l = 50 cm⌀ = 2 cmμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
M = µH
9.อิมพีแดนซ์กระแสสลับและเฟสเซอร์ปานกลาง
วงจร RLC อนุกรมต่อกับแหล่งจ่าย 50 V (rms) 200 Hz จงหากำลังจริง P ที่ดึงจากแหล่งจ่าย
V = 50 V (rms)f = 200 HzR = 50 ΩL = 150 mHC = 2.2 µF
P = W
10.อิมพีแดนซ์กระแสสลับและเฟสเซอร์ยาก
ตัวต้านทาน R1 ต่ออนุกรมกับ R2 ที่ต่อขนานกับตัวเก็บประจุ C คร่อมแหล่งจ่าย 230 V (rms) 50 Hz หากระแส rms I
V = 230 V (rms)f = 50 HzR1 = 15 ΩR2 = 150 ΩC = 22 µF
I = A
3สารละลาย
1.กฎของคูลอมบ์และสนามไฟฟ้า
คำตอบ: F = 172.6 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
FL = +k·6·3 × 10⁻¹²/0.05² = 64.73 N
FR = +k·10·3 × 10⁻¹²/0.05² = 107.9 N
แรงลัพธ์
F = 64.73 + (107.9) = 172.6 N → |F| = 172.6 N
คำตอบ
F = 172.6 N
แรงลัพธ์ชี้ไปทางขวา
2.กฎของคูลอมบ์และสนามไฟฟ้า
คำตอบ: F = 320.4 N
กฎของคูลอมบ์: ประจุจุดสองประจุดึงดูดหรือผลักกันด้วย F = k·|q₁·q₂|/r² โดย k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C² สนามของประจุจุดคือ E = k·|q|/r² ชี้ออกจากประจุบวกและเข้าหาประจุลบ แรงและสนามจากประจุหลายตัวบวกกันแบบเวกเตอร์
แรงแต่ละแรงที่กระทำต่อ q₃
F1 = k·8·4 × 10⁻¹²/0.03² = 319.6 N
F2 = k·6·4 × 10⁻¹²/0.1² = 21.58 N
ผลรวมเวกเตอร์
F = √(319.6² + 21.58²) = 320.4 N
คำตอบ
F = 320.4 N
3.ตัวต้านทานอนุกรมและขนาน
คำตอบ: Req = 6.615 Ω
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 = 6·20/(6+20) = 4.615 Ω
Req = R1 + 4.615 = 2 + 4.615 = 6.615 Ω
คำตอบ
Req = 6.615 Ω
4.ตัวต้านทานอนุกรมและขนาน
คำตอบ: Req = 21.44 Ω
ตัวต้านทานอนุกรมและขนาน: ในการต่ออนุกรม กระแสเดียวกันไหลผ่านตัวต้านทานแต่ละตัว และ R = R₁ + R₂ + … ในการต่อขนาน ตัวต้านทานแต่ละตัวมีแรงดันเท่ากัน และ 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + … วงจรแบบบันไดลดรูปทีละคู่จนเหลือความต้านทานสมมูลเพียงค่าเดียว
รวมตัวต้านทานจากปลายสุด
เริ่มจากปลายที่ไกลจากแหล่งจ่ายที่สุดแล้วไล่กลับมาหาแหล่งจ่าย ตัวต้านทานที่มีกระแสเท่ากันต่ออนุกรมกัน ตัวต้านทานที่คร่อมโหนดคู่เดียวกันต่อขนานกัน
R5 + R6 = 15 + 30 = 45 Ω
R4 ∥ 45 = 3.673 Ω
R3 + 3.673 = 8.673 Ω
R2 ∥ 8.673 = 6.439 Ω
Req = R1 + 6.439 = 15 + 6.439 = 21.44 Ω
คำตอบ
Req = 21.44 Ω
5.ทรานเซียนต์ RC และ RL
คำตอบ: i = 0.1787 A
ทรานเซียนต์อันดับหนึ่ง: ในวงจรที่มีตัวเก็บประจุหนึ่งตัวหรือตัวเหนี่ยวนำหนึ่งตัว แรงดันและกระแสทุกค่าเปลี่ยนแบบเอกซ์โพเนนเชียลจากค่าเริ่มต้นไปยังค่าสุดท้าย: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ โดย τ = RC หรือ τ = L/R หลังจากประมาณ 5τ วงจรจะนิ่งแล้ว
ค่าคงตัวเวลา
τ = L/R = 47 mH / 100 Ω = 0.47 ms
การลดลงของกระแส
i(t) = 1.5·e−1/0.47 = 0.1787 A
คำตอบ
i = 0.1787 A
6.ทรานเซียนต์ RC และ RL
คำตอบ: vC = 23.65 V
ทรานเซียนต์อันดับหนึ่ง: ในวงจรที่มีตัวเก็บประจุหนึ่งตัวหรือตัวเหนี่ยวนำหนึ่งตัว แรงดันและกระแสทุกค่าเปลี่ยนแบบเอกซ์โพเนนเชียลจากค่าเริ่มต้นไปยังค่าสุดท้าย: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ โดย τ = RC หรือ τ = L/R หลังจากประมาณ 5τ วงจรจะนิ่งแล้ว
ค่าเริ่มต้น ค่าสุดท้าย ค่าคงตัวเวลา
แรงดันคร่อมตัวเก็บประจุไม่สามารถกระโดดได้ จึงเริ่มจากค่าที่เก็บไว้และมุ่งไปสู่แรงดันของแหล่งจ่าย
vC(0) = 20 V, vC(∞) = Vs = 24 V
τ = R·C = 1 kΩ · 33 µF = 33 ms
vC(t) = 24 + (20 − 24)·e−t/τ
แรงดันที่เวลาที่กำหนด
vC(80) = 24 + (−4)·e−80/33 = 23.65 V
คำตอบ
vC = 23.65 V
7.สนามแม่เหล็กและการเหนี่ยวนำ
คำตอบ: ทวนเข็มนาฬิกา
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)
การเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์
ฟลักซ์เข้าหน้ากระดาษเพิ่มขึ้น หรือฟลักซ์ออกจากหน้ากระดาษลดลง
สนามของกระแสเหนี่ยวนำ
กระแสเหนี่ยวนำต้านการเปลี่ยนแปลง
สนามเหนี่ยวนำภายในลูป: ออกจากหน้ากระดาษ
ทิศทางของกระแส
กฎมือขวา: กระแสทวนเข็มนาฬิกาให้สนามพุ่งออกจากหน้ากระดาษภายในลูป
ทวนเข็มนาฬิกา
คำตอบ
ทวนเข็มนาฬิกา
8.สนามแม่เหล็กและการเหนี่ยวนำ
คำตอบ: M = 236.9 µH
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)
ความเหนี่ยวนำร่วม
M = μ₀N₁N₂A/l = 4π × 10⁻⁷·1500·200·0.0003142/0.5 = 236.9 µH
คำตอบ
M = 236.9 µH
9.อิมพีแดนซ์กระแสสลับและเฟสเซอร์
คำตอบ: P = 3.846 W
วงจรกระแสสลับด้วยเฟสเซอร์: ตัวต้านทาน ตัวเหนี่ยวนำ และตัวเก็บประจุมีอิมพีแดนซ์ R, jωL และ 1/(jωC) โดย ω = 2πf ในการต่ออนุกรม อิมพีแดนซ์บวกกันเหมือนความต้านทาน แต่เป็นจำนวนเชิงซ้อน กระแสและแรงดัน rms เป็นไปตามกฎของโอห์มโดยใช้ |Z|
รีแอกแตนซ์
XL = 188.5 Ω, XC = 361.7 Ω
อิมพีแดนซ์
|Z| = √(50² + (−173.2)²) = 180.3 Ω
กำลังจริง
ตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุเพียงสะสมแล้วคืนพลังงาน ตัวต้านทานดูดกำลังจริงทั้งหมด
I = 50/180.3 = 0.2773 A
P = I²·R = 0.2773²·50 = 3.846 W
คำตอบ
P = 3.846 W
10.อิมพีแดนซ์กระแสสลับและเฟสเซอร์
คำตอบ: I = 1.999 A
วงจรกระแสสลับด้วยเฟสเซอร์: ตัวต้านทาน ตัวเหนี่ยวนำ และตัวเก็บประจุมีอิมพีแดนซ์ R, jωL และ 1/(jωC) โดย ω = 2πf ในการต่ออนุกรม อิมพีแดนซ์บวกกันเหมือนความต้านทาน แต่เป็นจำนวนเชิงซ้อน กระแสและแรงดัน rms เป็นไปตามกฎของโอห์มโดยใช้ |Z|
รีแอกแตนซ์
XC = 1/(2π·50·22·10⁻⁶) = 144.7 Ω
ส่วนที่ต่อขนาน
คูณทั้งเศษและส่วนด้วยสังยุคเชิงซ้อนเพื่อแยก Zp เป็นส่วนจริงและส่วนจินตภาพ
Zp = R₂·(−jXC)/(R₂ − jXC) = (R₂·XC² − jR₂²·XC)/(R₂² + XC²)
Zp = 72.3 − j74.95 Ω
อิมพีแดนซ์รวม
Z = 15 + 72.3 − j74.95 = 87.3 − j74.95 Ω
|Z| = √(87.3² + 74.95²) = 115.1 Ω
กระแส
I = V/|Z| = 230/115.1 = 1.999 A
คำตอบ
I = 1.999 A
ExamProblems · examproblems.com/courses/physics-2-electricity-and-magnetism