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: +2 µC ทางซ้าย +4 µC ทางขวาห่างออกไป 20 cm และ +10 µC อยู่ระหว่างกลางห่างจากประจุซ้าย 15 cm จงหาขนาดของแรงไฟฟ้าลัพธ์ F ที่กระทำต่อประจุตรงกลาง Use k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C².
qL = +2 µCqR = +4 µCqM = +10 µCrL = 15 cmrR = 5 cm
F = N
2.กฎของคูลอมบ์และสนามไฟฟ้ายาก
ประจุจุดบวกสามประจุอยู่ที่มุมของสามเหลี่ยมมุมฉาก: q₃ = 10 µC อยู่ที่มุมฉาก q₁ = 8 µC อยู่ห่างจากมันไป 6 cm ตามด้านหนึ่ง และ q₂ = 4 µC อยู่ห่างจากมันไป 3 cm ตามอีกด้านหนึ่ง หาขนาดของแรงไฟฟ้าลัพธ์ F ที่กระทำต่อ q₃
q1 = 8 µCq2 = 4 µCq3 = 10 µCr13 = 6 cmr23 = 3 cm
F = N
3.ตัวต้านทานอนุกรมและขนานปานกลาง
หาความต้านทานสมมูล Req ที่แหล่งจ่าย V1 มองเห็น
V1 = 24 VR1 = 4 ΩR2 = 10 ΩR3 = 12 ΩR4 = 5 Ω
Req = Ω
4.ตัวต้านทานอนุกรมและขนานยาก
หากระแส IR2 ผ่าน R2
V1 = 12 VR1 = 20 ΩR2 = 10 ΩR3 = 4 ΩR4 = 4 ΩR5 = 2 ΩR6 = 8 Ω
IR2 = A
5.ทรานเซียนต์ RC และ RLปานกลาง
แหล่งกำเนิด Vₛ ประจุตัวเก็บประจุผ่าน R₁ และ R₂ ต่อขนานกับ C ตัวเก็บประจุยังไม่มีประจุเมื่อสวิตช์ปิดที่ t = 0 หาแรงดัน vC คร่อมตัวเก็บประจุที่ t = 300 ms
Vs = 6 VR1 = 4.7 kΩR2 = 6.8 kΩC = 100 µFt = 300 ms
vC = V
6.ทรานเซียนต์ RC และ RLยาก
ก่อนสวิตช์ปิดที่ t = 0 ตัวเก็บประจุเก็บแรงดัน 15 V ตามขั้วที่แสดง หาแรงดัน vC คร่อมตัวเก็บประจุที่ t = 75 ms
Vs = 5 VR = 1 kΩC = 33 µFvC(0) = 15 Vt = 75 ms
vC = V
7.สนามแม่เหล็กและการเหนี่ยวนำปานกลาง
ขดลวด 20 รอบมีพื้นที่ 80 cm² พลิกขดลวดกลับด้าน (หมุน 180°) ในสนามสม่ำเสมอ 0.2 T ซึ่งตั้งฉากกับระนาบของขดลวด ใน 50 ms จงหา emf เหนี่ยวนำเฉลี่ย ε
N = 20A = 80 cm²B = 0.2 TΔt = 50 ms
ε = V
8.สนามแม่เหล็กและการเหนี่ยวนำยาก
กระแสในตัวเหนี่ยวนำ 25 mH เปลี่ยนอย่างสม่ำเสมอจาก 0.5 A เป็น 3.5 A ใน 50 ms จงหาขนาดของ emf เหนี่ยวนำในตัวเอง ε
L = 25 mH0.5 A → 3.5 AΔt = 50 ms
ε = V
9.อิมพีแดนซ์กระแสสลับและเฟสเซอร์ปานกลาง
ตัวต้านทานและตัวเก็บประจุต่อขนานกันคร่อมแหล่งจ่าย 50 V (rms) 500 Hz หามุมเฟส φ ของอิมพีแดนซ์ ในหน่วยองศา (เป็นบวกเมื่อกระแสล้าหลังแรงดัน)
V = 50 V (rms)f = 500 HzR = 100 ΩC = 4.7 µF
φ = °
10.อิมพีแดนซ์กระแสสลับและเฟสเซอร์ยาก
วงจร RLC อนุกรมต่อกับแหล่งจ่าย 120 V (rms) 100 Hz หาแรงดัน rms VC คร่อมตัวเก็บประจุ
V = 120 V (rms)f = 100 HzR = 25 ΩL = 20 mHC = 22 µF
VC = V
3สารละลาย
1.กฎของคูลอมบ์และสนามไฟฟ้า
คำตอบ: F = 135.8 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·2·10 × 10⁻¹²/0.15² = 7.991 N
FR = −k·4·10 × 10⁻¹²/0.05² = −143.8 N
แรงลัพธ์
F = 7.991 + (−143.8) = −135.8 N → |F| = 135.8 N
คำตอบ
F = 135.8 N
แรงลัพธ์ชี้ไปทางซ้าย
2.กฎของคูลอมบ์และสนามไฟฟ้า
คำตอบ: F = 446.7 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·8·10 × 10⁻¹²/0.06² = 199.8 N
F2 = k·4·10 × 10⁻¹²/0.03² = 399.6 N
ผลรวมเวกเตอร์
F = √(199.8² + 399.6²) = 446.7 N
คำตอบ
F = 446.7 N
3.ตัวต้านทานอนุกรมและขนาน
คำตอบ: Req = 10.3 Ω
ตัวต้านทานอนุกรมและขนาน: ในการต่ออนุกรม กระแสเดียวกันไหลผ่านตัวต้านทานแต่ละตัว และ R = R₁ + R₂ + … ในการต่อขนาน ตัวต้านทานแต่ละตัวมีแรงดันเท่ากัน และ 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + … วงจรแบบบันไดลดรูปทีละคู่จนเหลือความต้านทานสมมูลเพียงค่าเดียว
รวมตัวต้านทานจากปลายสุด
เริ่มจากปลายที่ไกลจากแหล่งจ่ายที่สุดแล้วไล่กลับมาหาแหล่งจ่าย ตัวต้านทานที่มีกระแสเท่ากันต่ออนุกรมกัน ตัวต้านทานที่คร่อมโหนดคู่เดียวกันต่อขนานกัน
R3 + R4 = 12 + 5 = 17 Ω
R2 ∥ 17 = 10·17/(10+17) = 6.296 Ω
Req = R1 + 6.296 = 4 + 6.296 = 10.3 Ω
คำตอบ
Req = 10.3 Ω
4.ตัวต้านทานอนุกรมและขนาน
คำตอบ: IR2 = 0.2028 A
ตัวต้านทานอนุกรมและขนาน: ในการต่ออนุกรม กระแสเดียวกันไหลผ่านตัวต้านทานแต่ละตัว และ R = R₁ + R₂ + … ในการต่อขนาน ตัวต้านทานแต่ละตัวมีแรงดันเท่ากัน และ 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + … วงจรแบบบันไดลดรูปทีละคู่จนเหลือความต้านทานสมมูลเพียงค่าเดียว
รวมตัวต้านทานจากปลายสุด
เริ่มจากปลายที่ไกลจากแหล่งจ่ายที่สุดแล้วไล่กลับมาหาแหล่งจ่าย ตัวต้านทานที่มีกระแสเท่ากันต่ออนุกรมกัน ตัวต้านทานที่คร่อมโหนดคู่เดียวกันต่อขนานกัน
R5 + R6 = 2 + 8 = 10 Ω
R4 ∥ 10 = 2.857 Ω
R3 + 2.857 = 6.857 Ω
R2 ∥ 6.857 = 4.068 Ω
Req = R1 + 4.068 = 20 + 4.068 = 24.07 Ω
กระแสจากแหล่งจ่าย
แหล่งจ่ายเห็นเพียง Req ดังนั้นกฎของโอห์มจึงให้กระแสที่มันจ่ายออกมา กระแสนั้นไหลผ่าน R₁
IR1 = V1/Req = 12/24.07 = 0.4986 A
กระแสผ่าน R₂
ลบแรงดันตกคร่อม R₁ เพื่อให้ได้แรงดันที่โหนด A ซึ่งเป็นแรงดันคร่อม R₂
VA = V1 − IR1·R1 = 12 − 0.4986·20 = 2.028 V
IR2 = VA/R2 = 2.028/10 = 0.2028 A
คำตอบ
IR2 = 0.2028 A
5.ทรานเซียนต์ RC และ RL
คำตอบ: vC = 2.342 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 Rth เปิดวงจรตัวเก็บประจุเพื่อหาแรงดันที่มันจะเข้าสู่
Rth = R1 ∥ R2 = 4.7·6.8/(4.7 + 6.8) = 2.779 kΩ
vC(∞) = 6·6.8/(4.7 + 6.8) = 3.548 V
ค่าคงตัวเวลา
τ = Rth·C = 2.779·100 = 277.9 ms
เส้นโค้งการประจุ
vC(t) = 3.548·(1 − e−300/277.9) = 2.342 V
คำตอบ
vC = 2.342 V
6.ทรานเซียนต์ RC และ RL
คำตอบ: vC = 6.03 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) = 15 V, vC(∞) = Vs = 5 V
τ = R·C = 1 kΩ · 33 µF = 33 ms
vC(t) = 5 + (15 − 5)·e−t/τ
แรงดันที่เวลาที่กำหนด
vC(75) = 5 + (10)·e−75/33 = 6.03 V
คำตอบ
vC = 6.03 V
7.สนามแม่เหล็กและการเหนี่ยวนำ
คำตอบ: ε = 1.28 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)
การเปลี่ยนแปลงของฟลักซ์ต่อรอบ
ΔΦ = 2·0.2·0.008 = 0.0032 Wb
emf เฉลี่ย
ε = NΔΦ/Δt = 20·0.0032/0.05 = 1.28 V
คำตอบ
ε = 1.28 V
8.สนามแม่เหล็กและการเหนี่ยวนำ
คำตอบ: ε = 1.5 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 เหนี่ยวนำในตัวเอง
emf ต้านการเปลี่ยนแปลงของกระแส (เลนซ์) ดังนั้นเครื่องหมายตรงข้ามกับ ΔI; ขนาดคือ L·|ΔI|/Δt
ε = L·ΔI/Δt = 0.025·3/0.05 = 1.5 V
คำตอบ
ε = 1.5 V
9.อิมพีแดนซ์กระแสสลับและเฟสเซอร์
คำตอบ: φ = −55.89 °
วงจรกระแสสลับด้วยเฟสเซอร์: ตัวต้านทาน ตัวเหนี่ยวนำ และตัวเก็บประจุมีอิมพีแดนซ์ R, jωL และ 1/(jωC) โดย ω = 2πf ในการต่ออนุกรม อิมพีแดนซ์บวกกันเหมือนความต้านทาน แต่เป็นจำนวนเชิงซ้อน กระแสและแรงดัน rms เป็นไปตามกฎของโอห์มโดยใช้ |Z|
รีแอกแตนซ์
XC = 1/(ωC) = 1/(2π·500·4.7·10⁻⁶) = 67.73 Ω
กระแสในแต่ละสาขา
ทั้งสองสาขาต่อตรงคร่อมแหล่งจ่าย ดังนั้นแต่ละสาขาเห็นแรงดัน V เต็มค่า
IR = V/R = 50/100 = 0.5 A
IX = V/XC = 50/67.73 = 0.7383 A
กระแสรวม
กระแสตัวต้านทานเฟสตรงกับ V และกระแสรีแอกทีฟต่างเฟส 90° จึงบวกกันเหมือนด้านของสามเหลี่ยมมุมฉาก
I = √(IR² + IX²) = √(0.5² + 0.7383²) = 0.8917 A
มุมเฟส
กระแสตัวเก็บประจุนำ V ดังนั้นกระแสรวมนำและมุมเป็นลบ
φ = −arctan(IX/IR) = −arctan(0.7383/0.5) = −55.89°
คำตอบ
φ = −55.89°
10.อิมพีแดนซ์กระแสสลับและเฟสเซอร์
คำตอบ: VC = 134 V
วงจรกระแสสลับด้วยเฟสเซอร์: ตัวต้านทาน ตัวเหนี่ยวนำ และตัวเก็บประจุมีอิมพีแดนซ์ R, jωL และ 1/(jωC) โดย ω = 2πf ในการต่ออนุกรม อิมพีแดนซ์บวกกันเหมือนความต้านทาน แต่เป็นจำนวนเชิงซ้อน กระแสและแรงดัน rms เป็นไปตามกฎของโอห์มโดยใช้ |Z|
รีแอกแตนซ์
ω = 2πf = 2π·100 = 628.3 rad/s
XL = ωL = 628.3·0.02 = 12.57 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(628.3·22·10⁻⁶) = 72.34 Ω
อิมพีแดนซ์
ในการต่ออนุกรม อิมพีแดนซ์บวกกันเป็นจำนวนเชิงซ้อน: Z = R + j(XL − XC)
|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(25² + (−59.78)²) = 64.79 Ω
กระแส
กระแสเดียวกันไหลผ่านทุกองค์ประกอบของวงจรอนุกรม
I = V/|Z| = 120/64.79 = 1.852 A
แรงดันคร่อมตัวเก็บประจุ
VC = I·XC = 1.852·72.34 = 134 V
คำตอบ
VC = 134 V
ExamProblems · examproblems.com/courses/physics-2-electricity-and-magnetism