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 +2 µC і заряд +10 µC розташовані на відстані 10 cm один від одного. Точка P лежить на прямій між ними на відстані 6 cm від першого заряду. Знайдіть модуль напруженості електричного поля E у точці P.

q₁ = +2 µCq₂ = +10 µCr₁ = 6 cmr₂ = 4 cm

E = N/C

2.Закон Кулона й електричне полеСкладна

Три додатні точкові заряди розташовані у вершинах прямокутного трикутника: q₃ = 2 µC — у вершині прямого кута, q₁ = 3 µC — на відстані 8 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 = 3 µCq₂ = 4 µCq₃ = 2 µCr₁₃ = 8 cmr₂₃ = 8 cm

F = N

3.Послідовні й паралельні резисториСередня

Знайдіть еквівалентний опір R_eq, який бачить джерело V₁.

V₁ = 6 VR₁ = 5 ΩR₂ = 5 ΩR₃ = 12 ΩR₄ = 12 Ω

R_eq = Ω

4.Послідовні й паралельні резисториСкладна

Знайдіть струм I_R1, який віддає джерело і який тече через R₁.

V₁ = 9 VR₁ = 6 ΩR₂ = 5 ΩR₃ = 10 ΩR₄ = 25 ΩR₅ = 10 ΩR₆ = 25 Ω

I_R1 = 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 напругу на конденсаторі v_C у момент t = 30 ms.

V_s = 12 VR₁ = 1 kΩR₂ = 4,7 kΩC = 68 µFt = 30 ms

v_C = V

6.Перехідні процеси RC і RLСкладна

Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 30 V з указаною полярністю. За який час v_C досягне 18 V? Знайдіть t.

V_s = 6 VR = 4,7 kΩC = 47 µFv_C(0) = 30 V

t = ms

7.Магнітні поля та індукціяСередня

Провідник проводить струм ліворуч в однорідному магнітному полі, спрямованому у площину сторінки. Клікніть напрямок магнітної сили, що діє на провідник.

I: ліворучB: у площину сторінки

1угору по сторінці
2праворуч
3униз по сторінці
4ліворуч

8.Магнітні поля та індукціяСкладна

Довгий соленоїд без сердечника має 2000 витків, довжину 50 см і діаметр 5 см. Знайдіть енергію W, запасену в його магнітному полі, коли він проводить 3 А.

N = 2000l = 50 cm⌀ = 5 cmI = 3 Aμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A

W = mJ

9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня

Послідовне коло RLC підключено до мережі 100 V (діюче значення), 200 Hz. Знайдіть коефіцієнт потужності cos φ кола.

V = 100 V (rms)f = 200 HzR = 60 ΩL = 100 mHC = 22 µF

cos φ =

10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна

Послідовне RLC-коло має R = 15 Ω, L = 1 mH і C = 1 µF. Знайдіть його смугу пропускання B (ширину смуги між частотами половинної потужності) у Hz.

R = 15 ΩL = 1 mHC = 1 µF

B = Hz

3Розчини

1.Закон Кулона й електричне поле

Відповідь: E = 5,119 × 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·2 × 10⁻⁶/0,06² = 4,994 × 10⁶ N/C

E₂ = k·10 × 10⁻⁶/0,04² = 5,619 × 10⁷ N/C

Напрямки й сума

Обидва заряди додатні: у точці P їхні поля спрямовані від відповідного заряду, тобто в протилежні боки.

E = |4,994 × 10⁶ − 5,619 × 10⁷| = 5,119 × 10⁷ N/C

Відповідь

E = 5,119 × 10⁷ N/C

2.Закон Кулона й електричне поле

Відповідь: F = 14,05 N

Кожна сила, що діє на q₃

F₁ = k·3·2 × 10⁻¹²/0,08² = 8,428 N

F₂ = k·4·2 × 10⁻¹²/0,08² = 11,24 N

Векторна сума

F = √(8,428² + 11,24²) = 14,05 N

Відповідь

F = 14,05 N

3.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: R_eq = 9,138 Ω

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 = 12 + 12 = 24 Ω

R₂ ∥ 24 = 5·24/(5+24) = 4,138 Ω

R_eq = R₁ + 4,138 = 5 + 4,138 = 9,138 Ω

Відповідь

R_eq = 9,138 Ω

4.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: I_R1 = 0,8863 A

Об’єднуйте резистори з дальнього кінця

R₅ + R₆ = 10 + 25 = 35 Ω

R₄ ∥ 35 = 14,58 Ω

R₃ + 14,58 = 24,58 Ω

R₂ ∥ 24,58 = 4,155 Ω

R_eq = R₁ + 4,155 = 6 + 4,155 = 10,15 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 = 9/10,15 = 0,8863 A

Відповідь

I_R1 = 0,8863 A

5.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: v_C = 4,1 V

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 = 1·4,7/(1 + 4,7) = 0,8246 kΩ

v_C(∞) = 12·4,7/(1 + 4,7) = 9,895 V

Стала часу

τ = R_th·C = 0,8246·68 = 56,07 ms

Крива заряджання

v_C(t) = 9,895·(1 − e^−30/56,07) = 4,1 V

Відповідь

v_C = 4,1 V

6.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: t = 153,1 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) = 30 V, v_C(∞) = V_s = 6 V

τ = R·C = 4,7 kΩ · 47 µF = 220,9 ms

v_C(t) = 6 + (30 − 6)·e^−t/τ

Виразіть час

18 = 6 + (24)·e^−t/τ → e^−t/τ = (18 − 6)/(30 − 6) = 0,5

t = τ·ln((30 − 6)/(18 − 6)) = 220,9·ln(2) = 153,1 ms

Відповідь

t = 153,1 ms

7.Магнітні поля та індукція

Відповідь: униз по сторінці

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).

Правило правої руки

Спрямуйте пальці вздовж струму або швидкості й зігніть їх до B; великий палець указує силу, що діє на додатний заряд.

I: ліворуч, B: у площину сторінки

Напрямок сили

униз по сторінці

Відповідь

F: униз по сторінці

8.Магнітні поля та індукція

Відповідь: W = 88,83 mJ

Електромагнітна індукція: потік крізь контур дорівнює Φ = BA·cos θ, де θ — кут між B і нормаллю до контуру. Закон Фарадея: зміна потоку індукує в котушці з N витків ЕРС = −N·dΦ/dt, а правило Ленца стверджує, що індукований струм тече так, щоб його власне поле протидіяло зміні. Стрижень, що рухається впоперек поля, дає ЕРС = BLv. Котушка, що обертається з ω, дає e = NBAω·sin ωt з амплітудою NBAω. Самоіндукція: ЕРС = −L·di/dt, де L = μ₀N²A/l для довгого соленоїда, а запасена енергія W = ½LI². Дві зв’язані котушки: ЕРС₂ = −M·di₁/dt, де M = k√(L₁L₂).

Самоіндукція

L = μ₀N²A/l = 19,74 mH

Накопичена енергія

W = ½LI² = ½·0,01974·3² = 0,08883 J = 88,83 mJ

Відповідь

W = 88,83 mJ

9.Повний опір і комплексні амплітуди

Відповідь: cos φ = 0,5569

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

X_L = 125,7 Ω, X_C = 36,17 Ω

Повний опір

|Z| = √(60² + (89,49)²) = 107,7 Ω

Коефіцієнт потужності

cos φ = R/|Z| = 60/107,7 = 0,5569

Коло індуктивне, тож коефіцієнт потужності індуктивний (струм відстає).

Відповідь

cos φ = 0,5569

10.Повний опір і комплексні амплітуди

Відповідь: B = 2387 Hz

Резонансна частота

f₀ = 1/(2π·√(0,001·1·10⁻⁶)) = 5033 Hz

Добротність

Q порівнює реактивний опір при резонансі з активним опором: Q = ω₀L/R.

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/15)·√(0,001/(1·10⁻⁶)) = 2,108

Смуга пропускання

B = f₀/Q = 5033/2,108 = 2387 Hz

Відповідь

B = 2387 Hz

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