Fizik 2: Elektrik ve Manyetizma: hızlı tekrar paketi

Formül kâğıtları, her konunun temel yöntem adımları ve 10 alıştırma sorusu; tam çözümler en sonda.

Yeni sorular Derse dön

Yazdırma penceresinde, bir kopyayı cihazınızda saklamak için “PDF olarak kaydet” seçeneğini seçin.

1Formüller ve yöntemler

Coulomb yasası ve elektrik alanları

Coulomb yasası: F = k·|q₁q₂|/r²
Noktasal yükün alanı: E = k·|q|/r²
Sabit: k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C²
Yüke etkiyen kuvvet: F = q·E

Seri ve paralel dirençler

Seri dirençler: R_eq = R₁ + R₂ + …
Paralel dirençler: 1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂ + …
İki paralel direnç: R_eq = R₁R₂ / (R₁ + R₂)
Ohm yasası: V = I·R
Güç: P = V·I = I²R = V²/R

Yöntem

Ağın uçlardan en uzak ucundan başlayın.
Seri dirençleri toplayarak, paralel dirençleri 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + … ile birleştirin.
Her adımdan sonra devreyi yeniden çizin.
Uçlar arasında tek bir direnç kalana kadar tekrarlayın.

RC ve RL geçici rejim

Zaman sabiti: τ = RC | τ = L/R
Yanıt: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ
DC’de kondansatör: açık devre; v_C ani değişemez
DC’de bobin: kısa devre; i_L ani değişemez
Kalıcı durum: t ≈ 5τ

Yöntem

Anahtarlamadan hemen sonraki başlangıç değerini bulun: kondansatör gerilimi ve bobin akımı ani değişemez.
Anahtarlamadan çok sonraki son değeri bulun: kondansatör açık devre, bobin kısa devre gibi davranır.
Zaman sabitini bulun: kondansatörün veya bobinin gördüğü direnci kullanarak τ = RC veya τ = L/R.
x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ kullanın.

Manyetik alanlar ve indüksiyon

Uzun, düz tel: B = μ₀I/(2πr)
Düz bir bobinin merkezi: B = μ₀NI/(2R)
Uzun solenoid: B = μ₀nI, n = N/L
Sabit: μ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
Tele etki eden kuvvet: F = BIL·sin θ
Yüke etkiyen kuvvet: F = |q|vB·sin θ
Dairesel hareket: r = mv/(|q|B), T = 2πm/(|q|B)
Paralel teller: F/L = μ₀I₁I₂/(2πd)
Akı: Φ = BA·cos θ
Faraday yasası: ε = −N·ΔΦ/Δt
Hareketli çubuk: ε = BLv
Üreteç: E₀ = NBAω, E_rms = E₀/√2
Endüktans: ε = L·ΔI/Δt, L = μ₀N²A/l, W = ½LI²
Karşılıklı indüktans: ε₂ = M·di₁/dt, M = k√(L₁L₂)
Hız seçici ve spektrometre: v = E/B, r = √(2mV/|q|)/B

Yöntem

Her niceliği SI birimlerine çevirin: cm’yi m’ye, cm²’yi m²’ye, mT ve µT’yi T’ye.
Doğru formülü seçin: tel için B = μ₀I/(2πr), bobin merkezi için μ₀NI/(2R), solenoid içi için μ₀nI; kuvvetler için F = BIL·sin θ ya da |q|vB·sin θ.
İndüksiyonda akı değişimini ΔΦ = Δ(BA·cos θ) bulun ve ε = N·ΔΦ/Δt kullanın; hareketli çubuk için ε = BLv, dönen bobin için NBAω.
Yönleri sağ el kurallarıyla, indüklenen akımlar için Lenz yasasıyla ayrı ayrı bulun.

AC empedans ve fazörler

Empedanslar: Z_R = R, Z_L = jωL, Z_C = 1/(jωC)
Açısal frekans: ω = 2πf
Genlik ve açı: |Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Fazör biçiminde Ohm yasası: V = I·Z

Yöntem

Frekansı çevirin: ω = 2πf.
Her reaktansı bulun: X_L = ωL ve X_C = 1/(ωC).
Empedansları dirençler gibi Z = R + jX ile toplayın.
|Z| = √(R² + X²) büyüklüğünü ve φ = atan(X/R) açısını bulun, sonra fazörlerle Ohm yasasını kullanın.

2Alıştırma soruları

1.Coulomb yasası ve elektrik alanlarıOrta

+5 µC’luk bir yük ile +1 µC’luk bir yük arasında 10 cm mesafe var. P noktası aralarındaki doğru üzerinde, birinci yükten 7,5 cm uzaklıktadır. P’deki elektrik alanının büyüklüğü E değerini bulun.

q₁ = +5 µCq₂ = +1 µCr₁ = 7,5 cmr₂ = 2,5 cm

E = N/C

2.Coulomb yasası ve elektrik alanlarıZor

Üç pozitif noktasal yük bir dik üçgenin köşelerinde bulunuyor: q₃ = 6 µC dik açılı köşede, q₁ = 4 µC bir kenar boyunca ondan 10 cm uzakta ve q₂ = 1 µC diğer kenar boyunca ondan 10 cm uzakta. q₃’e etkiyen net elektrik kuvvetinin büyüklüğü F değerini bulun.

q₁ = 4 µCq₂ = 1 µCq₃ = 6 µCr₁₃ = 10 cmr₂₃ = 10 cm

F = N

3.Seri ve paralel dirençlerOrta

R₂ üzerinden geçen I_R2 akımını bulun.

V₁ = 24 VR₁ = 3 ΩR₂ = 3 ΩR₃ = 2 ΩR₄ = 10 Ω

I_R2 = A

4.Seri ve paralel dirençlerZor

R₂ üzerinden geçen I_R2 akımını bulun.

V₁ = 10 VR₁ = 30 ΩR₂ = 2 ΩR₃ = 4 ΩR₄ = 4 ΩR₅ = 4 ΩR₆ = 15 Ω

I_R2 = A

5.RC ve RL geçici rejimOrta

Anahtar t = 0’da kapanmadan önce bobinden akım geçmez. t = 5 ms anında bobin üzerindeki v_L gerilimini bulun.

V_s = 9 VR = 100 ΩL = 220 mHt = 5 ms

v_L = V

6.RC ve RL geçici rejimZor

Bir zamanlayıcı, t = 0’da 15 V’luk bir kaynaktan bir direnç üzerinden yüksüz bir kondansatörü doldurmaya başlıyor. Kondansatör gerilimi 11,25 V’a ulaştığında, başlangıçtan tam 50 ms sonra tetiklemelidir. C = 10 µF ile gereken direnç R değerini bulun.

V_s = 15 VV_th = 11,25 VT = 50 msC = 10 µF

R = kΩ

7.Manyetik alanlar ve indüksiyonOrta

100 cm uzunluğundaki bir metal çubuk, sayfanın içine doğru 0,8 T’lik düzgün bir alanda iki ray boyunca 2,5 m/s ile kayıyor. Raylar 2,5 Ω’luk bir dirençle birleştirilmiştir; çubuğun ve rayların direnci ihmal edilebilir. Çubuğu sabit hızda hareket ettirmek için gereken kuvveti, F, bulun (sürtünme yok).

B = 0,8 TL = 100 cmv = 2,5 m/sR = 2,5 Ω

F = mN

8.Manyetik alanlar ve indüksiyonZor

Bir alfa parçacığı durgun halden başlar, 500 V’luk bir potansiyel farkıyla hızlandırılır ve sonra 0,1 T’lik düzgün bir manyetik alana dik olarak girer. Alandaki yolunun yarıçapını, r, bulun.

m = 6,645 × 10⁻²⁷ kg|q| = 3,204 × 10⁻¹⁹ CV = 500 VB = 0,1 T

r = cm

9.AC empedans ve fazörlerOrta

Bir direnç ve bir bobin, 24 V (rms), 50 Hz’lik bir kaynağın uçlarına paralel bağlıdır. Empedansın büyüklüğü |Z| değerini bulun.

V = 24 V (rms)f = 50 HzR = 60 ΩL = 150 mH

|Z| = Ω

10.AC empedans ve fazörlerZor

Seri bir RLC devresinde R = 20 Ω, L = 20 mH ve C = 0,47 µF’tır. Rezonanstaki kalite faktörü Q değerini bulun.

R = 20 ΩL = 20 mHC = 0,47 µF

Q =

3Çözeltiler

1.Coulomb yasası ve elektrik alanları

Cevap: E = 6,393 × 10⁶ N/C

Coulomb yasası: iki noktasal yük birbirini F = k·|q₁·q₂|/r² kuvvetiyle çeker veya iter; burada k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C². Noktasal bir yükün alanı E = k·|q|/r²’dir; pozitif yükten dışarı, negatif yüke doğru yönelir. Birden çok yükün kuvvetleri ve alanları vektörel olarak toplanır.

Her yükün alanı

E₁ = k·5 × 10⁻⁶/0,075² = 7,991 × 10⁶ N/C

E₂ = k·1 × 10⁻⁶/0,025² = 1,438 × 10⁷ N/C

Yönler ve toplam

İki yük de pozitif: P’de alanları her yükten dışarı, yani zıt yönlere yönelir.

E = |7,991 × 10⁶ − 1,438 × 10⁷| = 6,393 × 10⁶ N/C

Cevap

E = 6,393 × 10⁶ N/C

2.Coulomb yasası ve elektrik alanları

Cevap: F = 22,24 N

q₃’e etkiyen her kuvvet

F₁ = k·4·6 × 10⁻¹²/0,1² = 21,58 N

F₂ = k·1·6 × 10⁻¹²/0,1² = 5,394 N

Vektör toplamı

F = √(21,58² + 5,394²) = 22,24 N

Cevap

F = 22,24 N

3.Seri ve paralel dirençler

Cevap: I_R2 = 3,556 A

Seri ve paralel dirençler: seride her dirençten aynı akım geçer ve R = R₁ + R₂ + …. Paralelde her direncin gerilimi aynıdır ve 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Merdiven ağı, tek bir eşdeğer direnç kalana kadar çift çift indirgenir.

Dirençleri en uzak uçtan birleştirin

Kaynağa en uzak uçtan başlayıp ona doğru geri gelin. Aynı akımı taşıyan dirençler seri; aynı iki düğüm arasındaki dirençler paraleldir.

R₃ + R₄ = 2 + 10 = 12 Ω

R₂ ∥ 12 = 3·12/(3+12) = 2,4 Ω

R_eq = R₁ + 2,4 = 3 + 2,4 = 5,4 Ω

Kaynaktan çekilen akım

Kaynak yalnızca R_eq’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.

I_R1 = V₁/R_eq = 24/5,4 = 4,444 A

R₂’den geçen akım

A düğümündeki gerilimi bulmak için R₁ üzerindeki düşümü çıkarın; bu, R₂ üzerindeki gerilimdir.

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 24 − 4,444·3 = 10,67 V

I_R2 = V_A/R₂ = 10,67/3 = 3,556 A

Cevap

I_R2 = 3,556 A

4.Seri ve paralel dirençler

Cevap: I_R2 = 0,2487 A

Dirençleri en uzak uçtan birleştirin

Kaynağa en uzak uçtan başlayıp ona doğru geri gelin. Aynı akımı taşıyan dirençler seri; aynı iki düğüm arasındaki dirençler paraleldir.

R₅ + R₆ = 4 + 15 = 19 Ω

R₄ ∥ 19 = 3,304 Ω

R₃ + 3,304 = 7,304 Ω

R₂ ∥ 7,304 = 1,57 Ω

R_eq = R₁ + 1,57 = 30 + 1,57 = 31,57 Ω

Kaynaktan çekilen akım

Kaynak yalnızca R_eq’yi görür; Ohm yasası verdiği akımı bulur. Bu akım R₁’den geçer.

I_R1 = V₁/R_eq = 10/31,57 = 0,3168 A

R₂’den geçen akım

A düğümündeki gerilimi bulmak için R₁ üzerindeki düşümü çıkarın; bu, R₂ üzerindeki gerilimdir.

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 10 − 0,3168·30 = 0,4973 V

I_R2 = V_A/R₂ = 0,4973/2 = 0,2487 A

Cevap

I_R2 = 0,2487 A

5.RC ve RL geçici rejim

Cevap: v_L = 0,9273 V

Birinci derece geçici rejim: tek kondansatörlü veya tek bobinli bir devrede her gerilim ve akım başlangıç değerinden son değerine üstel olarak gider: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ, τ = RC veya τ = L/R ile. Yaklaşık 5τ sonra devre oturur.

Zaman sabiti ve son akım

Anahtar kapandıktan uzun süre sonra bobin kısa devre gibi davranır; bu yüzden son akımı yalnızca R belirler.

τ = L/R = 220 mH / 100 Ω = 2,2 ms

i(∞) = V_s/R = 9/100 = 0,09 A

Bobin gerilimi

t = 0’da besleme geriliminin tamamı bobin üzerindedir; sonra sıfıra söner.

v_L(t) = V_s·e^−t/τ = 9·e^−5/2,2 = 0,9273 V

Cevap

v_L = 0,9273 V

6.RC ve RL geçici rejim

Cevap: R = 3,607 kΩ

Gerekli zaman sabiti

11,25 = 15·(1 − e^−50/τ) → τ = 50/ln(15/(15 − 11,25))

τ = 50/1,386 = 36,07 ms

Direnç

kΩ çarpı µF milisaniye verir.

R = τ/C = 36,07/10 = 3,607 kΩ

Cevap

R = 3,607 kΩ

7.Manyetik alanlar ve indüksiyon

Cevap: F = 640 mN

Elektromanyetik indüksiyon: bir halkadan geçen akı Φ = BA·cos θ’dır; θ, B ile halkanın normali arasındaki açıdır. Faraday yasası: akıdaki bir değişim, N sarımlı bir bobinde emk = −N·dΦ/dt indükler ve Lenz yasasına göre indüklenen akım, kendi alanı değişime karşı koyacak yönde akar. Bir alanı dik kesen çubuk emk = BLv verir. ω ile dönen bir bobin e = NBAω·sin ωt verir, tepe değeri NBAω. Öz indüktans: emk = −L·di/dt; uzun bir solenoid için L = μ₀N²A/l ve depolanan enerji W = ½LI²’dir. Bağlaşık iki bobin: emk₂ = −M·di₁/dt, M = k√(L₁L₂).

Hareket emk’sı

ε = BLv = 0,8·1·2,5 = 2 V

Akım

I = ε/R = 2/2,5 = 0,8 A

Frenleme kuvveti

Lenz yasası: indüklenen akıma etki eden kuvvet harekete karşı koyar.

F = BIL = 0,8·0,8·1 = 0,64 N

Cevap

F = 640 mN

8.Manyetik alanlar ve indüksiyon

Cevap: r = 4,554 cm

Manyetik kuvvetler: bir B alanında I akımı taşıyan düz bir tel F = BIL·sin θ kuvvetini, hareketli bir yük ise F = |q|vB·sin θ kuvvetini hisseder; θ, akım (ya da hız) ile B arasındaki açıdır. Kuvvet her ikisine de diktir: sağ elinizin parmaklarını I ya da v yönünde tutun, B’ye doğru kıvırın; başparmak pozitif bir yük için F’yi verir; negatif yük için ters çevirin. F, v’ye dik olduğundan, düzgün bir alanı dik kesen bir yük bir çember üzerinde hareket eder: |q|vB = mv²/r, r = mv/(|q|B) ve T = 2πm/(|q|B) periyodunu verir; periyot sürate bağlı değildir. Akımları aynı yönde olan iki paralel tel birbirini çeker: F/L = μ₀I₁I₂/(2πd).

Hızlandırmadan sonraki sürat

v = √(2|q|V/m) = √(2·3,204 × 10⁻¹⁹·500/(6,645 × 10⁻²⁷)) = 219583 m/s

Alandaki yarıçap

r = mv/(|q|B) = 0,04554 m = 4,554 cm

Cevap

r = 4,554 cm

Birleştirilince: r = √(2mV/|q|)/B; yani aynı yüke sahip daha ağır iyonlar daha büyük çemberlerde hareket eder; izotoplar bu yolla ayrılır.

9.AC empedans ve fazörler

Cevap: |Z| = 37,06 Ω

Fazörlerle AC devreleri: direnç, bobin ve kondansatörün empedansları R, jωL ve 1/(jωC)’dir; ω = 2πf. Seride empedanslar dirençler gibi, ancak karmaşık sayı olarak toplanır. Rms akım ve gerilim |Z| ile Ohm yasasına uyar.

Reaktans

X_L = ωL = 2π·50·0,15 = 47,12 Ω

Kol akımları

İki kol da doğrudan kaynağın uçlarına bağlıdır, bu yüzden her biri V geriliminin tamamını görür.

I_R = V/R = 24/60 = 0,4 A

I_X = V/X_L = 24/47,12 = 0,5093 A

Toplam akım

Direnç akımı V ile aynı fazdadır, reaktif akım ise 90° faz farklıdır, bu yüzden bir dik üçgenin kenarları gibi toplanırlar.

I = √(I_R² + I_X²) = √(0,4² + 0,5093²) = 0,6476 A

Empedans

|Z| = V/I = 24/0,6476 = 37,06 Ω

Cevap

|Z| = 37,06 Ω

10.AC empedans ve fazörler

Cevap: Q = 10,31

Rezonans frekansı

f₀ = 1/(2π·√(0,02·0,47·10⁻⁶)) = 1642 Hz

Kalite faktörü

Q, rezonanstaki reaktansı dirençle karşılaştırır: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/20)·√(0,02/(0,47·10⁻⁶)) = 10,31

Cevap

Q = 10,31

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