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: −10 µC ทางซ้าย −2 µC ทางขวาห่างออกไป 30 cm และ +1 µC อยู่ระหว่างกลางห่างจากประจุซ้าย 18 cm จงหาขนาดของแรงไฟฟ้าลัพธ์ F ที่กระทำต่อประจุตรงกลาง Use k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C².

q_L = −10 µCq_R = −2 µCq_M = +1 µCr_L = 18 cmr_R = 12 cm

F = N

2.กฎของคูลอมบ์และสนามไฟฟ้ายาก

ลูกบอลเล็กที่เหมือนกันสองลูก มวลลูกละ 8 g แขวนจากจุดเดียวกันด้วยเส้นด้ายฉนวนยาว 60 cm ให้ประจุเท่ากันแล้วแต่ละเส้นด้ายอยู่นิ่งที่ 12° จากแนวดิ่ง ใช้ g = 9.81 m/s² จงหาประจุ q บนลูกบอลแต่ละลูกใน nC Use k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C².

m = 8 gL = 60 cmθ = 12°g = 9.81 m/s²

q = nC

3.ตัวต้านทานอนุกรมและขนานปานกลาง

หากระแส I_R2 ผ่าน R₂

V₁ = 12 VR₁ = 6 ΩR₂ = 10 ΩR₃ = 8 ΩR₄ = 20 Ω

I_R2 = A

4.ตัวต้านทานอนุกรมและขนานยาก

หาความต้านทานสมมูล R_eq ที่แหล่งจ่าย V₁ มองเห็น

V₁ = 10 VR₁ = 2 ΩR₂ = 20 ΩR₃ = 5 ΩR₄ = 5 ΩR₅ = 3 ΩR₆ = 6 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 = 25 ms

V_s = 12 VR₁ = 2.2 kΩR₂ = 10 kΩC = 10 µFt = 25 ms

v_C = V

6.ทรานเซียนต์ RC และ RLยาก

ตัวตั้งเวลาเริ่มประจุตัวเก็บประจุที่ไม่มีประจุผ่านตัวต้านทานจากแหล่งจ่าย 9 V ที่ t = 0 ต้องทริกเกอร์เมื่อแรงดันตัวเก็บประจุถึง 5.4 V พอดี 50 ms หลังเริ่ม เมื่อ C = 10 µF จงหาความต้านทาน R ที่ต้องการ

V_s = 9 VV_th = 5.4 VT = 50 msC = 10 µF

R = kΩ

7.สนามแม่เหล็กและการเหนี่ยวนำปานกลาง

เส้นลวดขนานยาวสองเส้นห่างกัน 8 cm มีกระแส 5 A และ 5 A ในทิศทางตรงข้ามกัน จงหาแรงต่อความยาวหนึ่งเมตร F/L ระหว่างเส้นลวดทั้งสอง

I₁ = 5 AI₂ = 5 Ad = 8 cmμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A

F/L = µN/m

8.สนามแม่เหล็กและการเหนี่ยวนำยาก

อนุภาคแอลฟา เริ่มจากหยุดนิ่ง ถูกเร่งผ่านความต่างศักย์ 10000 V แล้วเข้าสู่สนามแม่เหล็กสม่ำเสมอ 0.1 T เป็นมุมฉาก จงหารัศมี r ของเส้นทางในสนาม

m = 6.645 × 10⁻²⁷ kg|q| = 3.204 × 10⁻¹⁹ CV = 10000 VB = 0.1 T

r = cm

9.อิมพีแดนซ์กระแสสลับและเฟสเซอร์ปานกลาง

วงจร RLC อนุกรมต่อกับแหล่งจ่าย 120 V (rms) 50 Hz จงหาตัวประกอบกำลัง cos φ ของวงจร

V = 120 V (rms)f = 50 HzR = 15 ΩL = 200 mHC = 47 µF

cos φ =

10.อิมพีแดนซ์กระแสสลับและเฟสเซอร์ยาก

ตัวต้านทาน R₁ ต่ออนุกรมกับ R₂ ที่ต่อขนานกับตัวเก็บประจุ C คร่อมแหล่งจ่าย 50 V (rms) 500 Hz หาขนาดของอิมพีแดนซ์ |Z|

V = 50 V (rms)f = 500 HzR₁ = 30 ΩR₂ = 150 ΩC = 2.2 µF

|Z| = Ω

3สารละลาย

1.กฎของคูลอมบ์และสนามไฟฟ้า

คำตอบ: F = 1.526 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·10·1 × 10⁻¹²/0.18² = −2.775 N

F_R = +k·2·1 × 10⁻¹²/0.12² = 1.249 N

แรงลัพธ์

F = −2.775 + (1.249) = −1.526 N → |F| = 1.526 N

คำตอบ

F = 1.526 N

แรงลัพธ์ชี้ไปทางซ้าย

2.กฎของคูลอมบ์และสนามไฟฟ้า

คำตอบ: q = 339.9 nC

แรงไฟฟ้าจากสมดุล

องค์ประกอบในแนวนอนของแรงตึงสมดุลกับ F องค์ประกอบในแนวดิ่งสมดุลกับ m·g

F = m·g·tan θ = 0.008·9.81·tan 12° = 0.01668 N

ระยะห่าง

r = 2·L·sin θ = 2·0.6·sin 12° = 0.2495 m

ประจุ

F = k·q²/r² → q = r·√(F/k) = 0.2495·√(0.01668/8.99 × 10⁹) = 3.399 × 10⁻⁷ C = 339.9 nC

คำตอบ

q = 339.9 nC

3.ตัวต้านทานอนุกรมและขนาน

คำตอบ: I_R2 = 0.6614 A

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

รวมตัวต้านทานจากปลายสุด

เริ่มจากปลายที่ไกลจากแหล่งจ่ายที่สุดแล้วไล่กลับมาหาแหล่งจ่าย ตัวต้านทานที่มีกระแสเท่ากันต่ออนุกรมกัน ตัวต้านทานที่คร่อมโหนดคู่เดียวกันต่อขนานกัน

R₃ + R₄ = 8 + 20 = 28 Ω

R₂ ∥ 28 = 10·28/(10+28) = 7.368 Ω

R_eq = R₁ + 7.368 = 6 + 7.368 = 13.37 Ω

กระแสจากแหล่งจ่าย

แหล่งจ่ายเห็นเพียง R_eq ดังนั้นกฎของโอห์มจึงให้กระแสที่มันจ่ายออกมา กระแสนั้นไหลผ่าน R₁

I_R1 = V₁/R_eq = 12/13.37 = 0.8976 A

กระแสผ่าน R₂

ลบแรงดันตกคร่อม R₁ เพื่อให้ได้แรงดันที่โหนด A ซึ่งเป็นแรงดันคร่อม R₂

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 12 − 0.8976·6 = 6.614 V

I_R2 = V_A/R₂ = 6.614/10 = 0.6614 A

คำตอบ

I_R2 = 0.6614 A

4.ตัวต้านทานอนุกรมและขนาน

คำตอบ: R_eq = 7.823 Ω

รวมตัวต้านทานจากปลายสุด

R₅ + R₆ = 3 + 6 = 9 Ω

R₄ ∥ 9 = 3.214 Ω

R₃ + 3.214 = 8.214 Ω

R₂ ∥ 8.214 = 5.823 Ω

R_eq = R₁ + 5.823 = 2 + 5.823 = 7.823 Ω

คำตอบ

R_eq = 7.823 Ω

5.ทรานเซียนต์ RC และ RL

คำตอบ: v_C = 7.377 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 = 2.2·10/(2.2 + 10) = 1.803 kΩ

v_C(∞) = 12·10/(2.2 + 10) = 9.836 V

ค่าคงตัวเวลา

τ = R_th·C = 1.803·10 = 18.03 ms

เส้นโค้งการประจุ

v_C(t) = 9.836·(1 − e^−25/18.03) = 7.377 V

คำตอบ

v_C = 7.377 V

6.ทรานเซียนต์ RC และ RL

คำตอบ: R = 5.457 kΩ

ค่าคงที่เวลาที่ต้องการ

5.4 = 9·(1 − e^−50/τ) → τ = 50/ln(9/(9 − 5.4))

τ = 50/0.9163 = 54.57 ms

ความต้านทาน

kΩ คูณ µF ได้มิลลิวินาที

R = τ/C = 54.57/10 = 5.457 kΩ

คำตอบ

R = 5.457 kΩ

7.สนามแม่เหล็กและการเหนี่ยวนำ

คำตอบ: F/L = 62.5 µN/m

แรงแม่เหล็ก: เส้นลวดตรงที่มีกระแส I ในสนาม B ได้รับแรง F = BIL·sin θ และประจุที่เคลื่อนที่ได้รับแรง F = |q|vB·sin θ โดย θ คือมุมระหว่างกระแส (หรือความเร็ว) กับ B แรงตั้งฉากกับทั้งสอง: ชี้นิ้วมือขวาตาม I หรือ v โค้งนิ้วไปทาง B แล้วนิ้วหัวแม่มือบอก F สำหรับประจุบวก สำหรับประจุลบให้กลับทิศ เนื่องจาก F ตั้งฉากกับ v ประจุที่เคลื่อนที่ตัดสนามสม่ำเสมอจึงเคลื่อนที่เป็นวงกลม: |q|vB = mv²/r ให้ r = mv/(|q|B) และคาบ T = 2πm/(|q|B) ซึ่งไม่ขึ้นกับอัตราเร็ว เส้นลวดขนานสองเส้นดึงดูดกันเมื่อกระแสไหลทางเดียวกัน: F/L = μ₀I₁I₂/(2πd)

แรงต่อความยาวหนึ่งเมตร

F/L = μ₀I₁I₂/(2πd) = 2 × 10⁻⁷·5·5/0.08 = 62.5 µN/m

คำตอบ

F/L = 62.5 µN/m

กระแสทิศทางตรงข้ามกันผลักกัน

8.สนามแม่เหล็กและการเหนี่ยวนำ

คำตอบ: r = 20.37 cm

อัตราเร็วหลังการเร่ง

v = √(2|q|V/m) = √(2·3.204 × 10⁻¹⁹·10000/(6.645 × 10⁻²⁷)) = 982005 m/s

รัศมีในสนาม

r = mv/(|q|B) = 0.2037 m = 20.37 cm

คำตอบ

r = 20.37 cm

รวมกัน: r = √(2mV/|q|)/B ดังนั้นไอออนที่หนักกว่าที่มีประจุเท่ากันเคลื่อนที่ในวงกลมที่ใหญ่กว่า วิธีนี้ใช้แยกไอโซโทป

9.อิมพีแดนซ์กระแสสลับและเฟสเซอร์

คำตอบ: cos φ = 0.9507

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

รีแอกแตนซ์

X_L = 62.83 Ω, X_C = 67.73 Ω

อิมพีแดนซ์

|Z| = √(15² + (−4.894)²) = 15.78 Ω

ตัวประกอบกำลัง

cos φ = R/|Z| = 15/15.78 = 0.9507

วงจรเป็นเชิงความจุ ตัวประกอบกำลังจึงเป็นแบบนำ

คำตอบ

cos φ = 0.9507

10.อิมพีแดนซ์กระแสสลับและเฟสเซอร์

คำตอบ: |Z| = 126.8 Ω

รีแอกแตนซ์

X_C = 1/(2π·500·2.2·10⁻⁶) = 144.7 Ω

ส่วนที่ต่อขนาน

คูณทั้งเศษและส่วนด้วยสังยุคเชิงซ้อนเพื่อแยก Z_p เป็นส่วนจริงและส่วนจินตภาพ

Z_p = R₂·(−jX_C)/(R₂ − jX_C) = (R₂·X_C² − jR₂²·X_C)/(R₂² + X_C²)

Z_p = 72.3 − j74.95 Ω

อิมพีแดนซ์รวม

Z = 30 + 72.3 − j74.95 = 102.3 − j74.95 Ω

|Z| = √(102.3² + 74.95²) = 126.8 Ω

คำตอบ

|Z| = 126.8 Ω

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