Фізика 2: Електрика й магнетизм: шпаргалка-підсумок

Аркуші з формулами, ключові кроки методів для кожної теми та 10 задач для практики, з повними розв’язками наприкінці.

Нові задачі Назад до курсу

У вікні друку виберіть «Зберегти як PDF», щоб зберегти копію на пристрої.

1Формули та методи

Закон Кулона й електричне поле

Закон Кулона: F = k·|q₁q₂|/r²
Поле точкового заряду: E = k·|q|/r²
Стала: k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C²
Сила, що діє на заряд: F = q·E

Послідовні й паралельні резистори

Послідовне з’єднання резисторів: R_eq = R₁ + R₂ + …
Паралельне з’єднання резисторів: 1/R_eq = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Два паралельно: R_eq = R₁R₂ / (R₁ + R₂)
Закон Ома: V = I·R
Потужність: P = V·I = I²R = V²/R

Метод

Почніть з кінця мережі, найдальшого від затискачів.
Послідовні резистори об’єднуйте додаванням, паралельні — за 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
Перемальовуйте коло після кожного кроку.
Повторюйте, доки між затискачами не залишиться один резистор.

Перехідні процеси RC і RL

Стала часу: τ = RC | τ = L/R
Відгук: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ
Конденсатор на постійному струмі: розрив; v_C не може змінитися стрибком
Котушка на постійному струмі: коротке замикання; i_L не може змінитися стрибком
Усталений режим: t ≈ 5τ

Метод

Знайдіть початкове значення одразу після комутації: напруга на конденсаторі й струм через котушку не можуть змінитися стрибком.
Знайдіть кінцеве значення через довгий час після комутації: конденсатор поводиться як розрив, котушка — як коротке замикання.
Знайдіть сталу часу: τ = RC або τ = L/R, використовуючи опір з боку конденсатора чи котушки.
Використайте x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ.

Магнітні поля та індукція

Довгий прямий провідник: B = μ₀I/(2πr)
Центр плоскої котушки: B = μ₀NI/(2R)
Довгий соленоїд: B = μ₀nI, n = N/L
Стала: μ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
Сила, що діє на провідник: F = BIL·sin θ
Сила, що діє на заряд: F = |q|vB·sin θ
Рух по колу: r = mv/(|q|B), T = 2πm/(|q|B)
Паралельні провідники: F/L = μ₀I₁I₂/(2πd)
Потік: Φ = BA·cos θ
Закон Фарадея: ε = −N·ΔΦ/Δt
Рухомий стрижень: ε = BLv
Генератор: E₀ = NBAω, E_rms = E₀/√2
Індуктивність: ε = L·ΔI/Δt, L = μ₀N²A/l, W = ½LI²
Взаємна індуктивність: ε₂ = M·di₁/dt, M = k√(L₁L₂)
Селектор швидкостей і спектрометр: v = E/B, r = √(2mV/|q|)/B

Метод

Переведіть кожну величину в одиниці СІ: см у м, см² у м², мТл і мкТл у Тл.
Оберіть правильну формулу: B = μ₀I/(2πr) для провідника, μ₀NI/(2R) для центра котушки, μ₀nI всередині соленоїда; F = BIL·sin θ або |q|vB·sin θ для сил.
Для індукції знайдіть зміну потоку ΔΦ = Δ(BA·cos θ) і користуйтеся ε = N·ΔΦ/Δt, або ε = BLv для рухомого стрижня та NBAω для обертової котушки.
Знаходьте напрямки окремо за правилами правої руки, а для індукованих струмів — за правилом Ленца.

Повний опір і комплексні амплітуди

Повні опори: Z_R = R, Z_L = jωL, Z_C = 1/(jωC)
Кутова частота: ω = 2πf
Модуль і кут: |Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
Закон Ома в комплексній формі: V = I·Z

Метод

Переведіть частоту: ω = 2πf.
Знайдіть кожен реактивний опір: X_L = ωL і X_C = 1/(ωC).
Додавайте опори як резистори, з Z = R + jX.
Знайдіть модуль |Z| = √(R² + X²) і кут φ = atan(X/R), потім застосуйте закон Ома для комплексних амплітуд.

2Задачі для практики

1.Закон Кулона й електричне полеСередня

Заряд +5 µC і заряд −6 µC розташовані на відстані 30 cm один від одного. Точка P лежить на прямій між ними на відстані 22,5 cm від першого заряду. Знайдіть модуль напруженості електричного поля E у точці P.

q₁ = +5 µCq₂ = −6 µCr₁ = 22,5 cmr₂ = 7,5 cm

E = N/C

2.Закон Кулона й електричне полеСкладна

Три додатні точкові заряди розташовані у вершинах прямокутного трикутника: q₃ = 3 µC — у вершині прямого кута, q₁ = 5 µC — на відстані 4 cm від неї вздовж одного катета, q₂ = 4 µC — на відстані 8 cm від неї вздовж другого катета. Знайдіть модуль результуючої електричної сили F, що діє на q₃.

q₁ = 5 µCq₂ = 4 µCq₃ = 3 µCr₁₃ = 4 cmr₂₃ = 8 cm

F = N

3.Послідовні й паралельні резисториСередня

Знайдіть струм I_R2 через R₂.

V₁ = 15 VR₁ = 12 ΩR₂ = 10 ΩR₃ = 8 ΩR₄ = 5 Ω

I_R2 = A

4.Послідовні й паралельні резисториСкладна

Знайдіть струм I_R2 через R₂.

V₁ = 15 VR₁ = 2 ΩR₂ = 4 ΩR₃ = 8 ΩR₄ = 4 ΩR₅ = 4 ΩR₆ = 4 Ω

I_R2 = A

5.Перехідні процеси RC і RLСередня

Джерело Vₛ заряджає конденсатор через R₁, а R₂ під’єднано паралельно C. Конденсатор розряджений, коли вимикач замикається в момент t = 0. Знайдіть сталу часу τ кола після замикання ключа.

V_s = 10 VR₁ = 6,8 kΩR₂ = 1 kΩC = 33 µF

τ = ms

6.Перехідні процеси RC і RLСкладна

Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 18 V з указаною полярністю. За який час v_C досягне 22,8 V? Знайдіть t.

V_s = 24 VR = 3,3 kΩC = 100 µFv_C(0) = 18 V

t = ms

7.Магнітні поля та індукціяСередня

Протон, що рухається зі швидкістю 1,5 × 10⁶ м/с, влітає в однорідне магнітне поле під прямим кутом і рухається по колу радіусом 15,66 см. Знайдіть магнітну індукцію B.

m = 1,673 × 10⁻²⁷ kg|q| = 1,602 × 10⁻¹⁹ Cv = 1,5 × 10⁶ m/sr = 15,66 cm

B = T

8.Магнітні поля та індукціяСкладна

Альфа-частинка починає рух зі стану спокою, прискорюється в різниці потенціалів 10000 В, а потім влітає в однорідне магнітне поле 0,3 Тл під прямим кутом. Знайдіть радіус r його траєкторії в полі.

m = 6,645 × 10⁻²⁷ kg|q| = 3,204 × 10⁻¹⁹ CV = 10000 VB = 0,3 T

r = cm

9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня

Послідовне коло RLC підключено до мережі 120 V (діюче значення), 50 Hz. Знайдіть кут зсуву фаз φ повного опору в градусах (додатний, коли струм відстає від напруги).

V = 120 V (rms)f = 50 HzR = 100 ΩL = 150 mHC = 22 µF

φ = °

10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна

Послідовне коло RLC підключено до мережі 12 V (діюче значення), 50 Hz. Знайдіть діюче значення напруги V_C на конденсаторі.

V = 12 V (rms)f = 50 HzR = 40 ΩL = 250 mHC = 100 µF

V_C = V

3Розчини

1.Закон Кулона й електричне поле

Відповідь: E = 1,048 × 10⁷ N/C

Закон Кулона: два точкові заряди притягуються або відштовхуються із силою F = k·|q₁·q₂|/r², де k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C². Напруженість поля точкового заряду E = k·|q|/r²; поле спрямоване від додатного заряду й до від’ємного. Сили й поля від кількох зарядів додаються як вектори.

Поле кожного заряду

E₁ = k·5 × 10⁻⁶/0,225² = 887901 N/C

E₂ = k·6 × 10⁻⁶/0,075² = 9,589 × 10⁶ N/C

Напрямки й сума

Перше поле спрямоване від додатного заряду, друге — до від’ємного: обидва спрямовані в один бік.

E = |887901 + 9,589 × 10⁶| = 1,048 × 10⁷ N/C

Відповідь

E = 1,048 × 10⁷ N/C

2.Закон Кулона й електричне поле

Відповідь: F = 85,95 N

Кожна сила, що діє на q₃

F₁ = k·5·3 × 10⁻¹²/0,04² = 84,28 N

F₂ = k·4·3 × 10⁻¹²/0,08² = 16,86 N

Векторна сума

F = √(84,28² + 16,86²) = 85,95 N

Відповідь

F = 85,95 N

3.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: I_R2 = 0,4803 A

Послідовне й паралельне з’єднання: послідовно через кожен резистор тече той самий струм і R = R₁ + R₂ + …. Паралельно на кожному резисторі та сама напруга і 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Драбинчасту мережу спрощують по одній парі, доки не залишиться один еквівалентний опір.

Об’єднуйте резистори з дальнього кінця

Почніть із кінця, найдальшого від джерела, і рухайтеся до нього. Резистори з однаковим струмом з’єднані послідовно; резистори між тими самими двома вузлами — паралельно.

R₃ + R₄ = 8 + 5 = 13 Ω

R₂ ∥ 13 = 10·13/(10+13) = 5,652 Ω

R_eq = R₁ + 5,652 = 12 + 5,652 = 17,65 Ω

Струм джерела

Джерело бачить лише R_eq, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.

I_R1 = V₁/R_eq = 15/17,65 = 0,8498 A

Струм через R₂

Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 15 − 0,8498·12 = 4,803 V

I_R2 = V_A/R₂ = 4,803/10 = 0,4803 A

Відповідь

I_R2 = 0,4803 A

4.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: I_R2 = 2,222 A

Об’єднуйте резистори з дальнього кінця

R₅ + R₆ = 4 + 4 = 8 Ω

R₄ ∥ 8 = 2,667 Ω

R₃ + 2,667 = 10,67 Ω

R₂ ∥ 10,67 = 2,909 Ω

R_eq = R₁ + 2,909 = 2 + 2,909 = 4,909 Ω

Струм джерела

Джерело бачить лише R_eq, тож закон Ома дає струм, який воно віддає. Цей струм тече через R₁.

I_R1 = V₁/R_eq = 15/4,909 = 3,056 A

Струм через R₂

Відніміть спад на R₁, щоб отримати напругу у вузлі A, тобто напругу на R₂.

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 15 − 3,056·2 = 8,889 V

I_R2 = V_A/R₂ = 8,889/4 = 2,222 A

Відповідь

I_R2 = 2,222 A

5.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: τ = 28,77 ms

Перехідні процеси першого порядку: у колі з одним конденсатором або однією котушкою кожна напруга й кожен струм експоненційно змінюються від початкового до кінцевого значення: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e^−t/τ, де τ = RC або τ = L/R. Приблизно через 5τ коло виходить на усталений режим.

Еквівалентна схема Тевенена з боку конденсатора

Закоротіть джерело, щоб знайти R_th; розімкніть конденсатор, щоб знайти напругу, до якої він зарядиться.

R_th = R₁ ∥ R₂ = 6,8·1/(6,8 + 1) = 0,8718 kΩ

v_C(∞) = 10·1/(6,8 + 1) = 1,282 V

Стала часу

τ = R_th·C = 0,8718·33 = 28,77 ms

Відповідь

τ = 28,77 ms

6.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: t = 531,1 ms

Початкове значення, кінцеве значення, стала часу

Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком, тож вона починає з накопиченого значення й прямує до напруги джерела.

v_C(0) = 18 V, v_C(∞) = V_s = 24 V

τ = R·C = 3,3 kΩ · 100 µF = 330 ms

v_C(t) = 24 + (18 − 24)·e^−t/τ

Виразіть час

22,8 = 24 + (−6)·e^−t/τ → e^−t/τ = (22,8 − 24)/(18 − 24) = 0,2

t = τ·ln((18 − 24)/(22,8 − 24)) = 330·ln(5) = 531,1 ms

Відповідь

t = 531,1 ms

7.Магнітні поля та індукція

Відповідь: B = 0,1 T

Магнітні сили: на прямий провідник зі струмом I у полі B діє F = BIL·sin θ, а на рухомий заряд — F = |q|vB·sin θ, де θ — кут між струмом (або швидкістю) і B. Сила перпендикулярна до обох: спрямуйте пальці правої руки вздовж I або v, зігніть їх до B, і великий палець покаже F для додатного заряду; для від’ємного заряду напрямок змініть на протилежний. Оскільки F перпендикулярна до v, заряд, що рухається впоперек однорідного поля, описує коло: |q|vB = mv²/r дає r = mv/(|q|B) і період T = 2πm/(|q|B), який не залежить від швидкості. Два паралельні провідники притягуються, коли струми мають однаковий напрямок: F/L = μ₀I₁I₂/(2πd).

Поле за радіусом

B = mv/(|q|r) = 1,673 × 10⁻²⁷·1,5 × 10⁶/(1,602 × 10⁻¹⁹·0,1566) = 0,1 T

Відповідь

B = 0,1 T

8.Магнітні поля та індукція

Відповідь: r = 6,789 cm

Швидкість після прискорення

v = √(2|q|V/m) = √(2·3,204 × 10⁻¹⁹·10000/(6,645 × 10⁻²⁷)) = 982005 m/s

Радіус у полі

r = mv/(|q|B) = 0,06789 m = 6,789 cm

Відповідь

r = 6,789 cm

Разом: r = √(2mV/|q|)/B, тож важчі іони з тим самим зарядом рухаються по більших колах; так розділяють ізотопи.

9.Повний опір і комплексні амплітуди

Відповідь: φ = −44,29 °

Кола змінного струму й комплексний метод: резистори, котушки й конденсатори мають повні опори R, jωL і 1/(jωC), де ω = 2πf. Послідовно повні опори додаються як опори, але як комплексні числа. Діючі значення струму й напруги підкоряються закону Ома з |Z|.

Реактивні опори

ω = 2πf = 2π·50 = 314,2 rad/s

X_L = ωL = 314,2·0,15 = 47,12 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(314,2·22·10⁻⁶) = 144,7 Ω

Повний опір

Послідовно повні опори додаються як комплексні числа: Z = R + j(X_L − X_C).

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(100² + (−97,56)²) = 139,7 Ω

Кут зсуву фаз

φ = arctan((X_L − X_C)/R) = arctan(−97,56/100) = −44,29°

Відповідь

φ = −44,29°

10.Повний опір і комплексні амплітуди

Відповідь: V_C = 6,211 V

Реактивні опори

ω = 2πf = 2π·50 = 314,2 rad/s

X_L = ωL = 314,2·0,25 = 78,54 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(314,2·100·10⁻⁶) = 31,83 Ω

Повний опір

Послідовно повні опори додаються як комплексні числа: Z = R + j(X_L − X_C).

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(40² + (46,71)²) = 61,5 Ω

Струм

Через кожен елемент послідовного кола тече той самий струм.

I = V/|Z| = 12/61,5 = 0,1951 A

Напруга на конденсаторі

V_C = I·X_C = 0,1951·31,83 = 6,211 V

Відповідь

V_C = 6,211 V

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