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 +1 µC і заряд −1 µC розташовані на відстані 20 cm один від одного. Точка P лежить на прямій між ними на відстані 12 cm від першого заряду. Знайдіть модуль напруженості електричного поля E у точці P.

q₁ = +1 µCq₂ = −1 µCr₁ = 12 cmr₂ = 8 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 = 5 µC — на відстані 10 cm від неї вздовж одного катета, q₂ = 8 µC — на відстані 4 cm від неї вздовж другого катета. Знайдіть модуль результуючої електричної сили F, що діє на q₃.

q₁ = 5 µCq₂ = 8 µCq₃ = 2 µCr₁₃ = 10 cmr₂₃ = 4 cm

F = N

3.Послідовні й паралельні резисториСередня

Знайдіть еквівалентний опір R_eq, який бачить джерело V₁.

V₁ = 30 VR₁ = 8 ΩR₂ = 3 ΩR₃ = 20 ΩR₄ = 2 Ω

R_eq = Ω

4.Послідовні й паралельні резисториСкладна

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

V₁ = 6 VR₁ = 12 ΩR₂ = 5 ΩR₃ = 4 ΩR₄ = 12 ΩR₅ = 4 ΩR₆ = 30 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 = 80 ms.

V_s = 9 VR₁ = 3,3 kΩR₂ = 3,3 kΩC = 68 µFt = 80 ms

v_C = V

6.Перехідні процеси RC і RLСкладна

Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 8 V з указаною полярністю. За який час v_C досягне 11,5 V? Знайдіть t.

V_s = 15 VR = 2,2 kΩC = 10 µFv_C(0) = 8 V

t = ms

7.Магнітні поля та індукціяСередня

Котушка з 20 витків має площу 200 cm². Котушку перевертають (повертають на 180°) в однорідному полі 0,5 Тл, перпендикулярному до її площини, за 40 мс. Знайдіть середню індуковану ЕРС ε.

N = 20A = 200 cm²B = 0,5 TΔt = 40 ms

ε = V

8.Магнітні поля та індукціяСкладна

У селекторі швидкостей схрещені поля E = 1 × 10⁵ В/м і B = 0,25 Тл пропускають прямо лише іони однієї швидкості. Знайдіть цю швидкість v.

E = 1 × 10⁵ V/mB₁ = 0,25 T

v = m/s

9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня

Резистор і котушку з’єднано паралельно й під’єднано до мережі 230 V (діюче значення), 60 Hz. Знайдіть кут зсуву фаз φ повного опору в градусах (додатний, коли струм відстає від напруги).

V = 230 V (rms)f = 60 HzR = 30 ΩL = 20 mH

φ = °

10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна

Послідовне RLC-коло має R = 15 Ω, L = 5 mH і C = 0,22 µF. Знайдіть його смугу пропускання B (ширину смуги між частотами половинної потужності) у Hz.

R = 15 ΩL = 5 mHC = 0,22 µF

B = Hz

3Розчини

1.Закон Кулона й електричне поле

Відповідь: E = 2,029 × 10⁶ 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·1 × 10⁻⁶/0,12² = 624306 N/C

E₂ = k·1 × 10⁻⁶/0,08² = 1,405 × 10⁶ N/C

Напрямки й сума

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

E = |624306 + 1,405 × 10⁶| = 2,029 × 10⁶ N/C

Відповідь

E = 2,029 × 10⁶ N/C

2.Закон Кулона й електричне поле

Відповідь: F = 90,35 N

Кожна сила, що діє на q₃

F₁ = k·5·2 × 10⁻¹²/0,1² = 8,99 N

F₂ = k·8·2 × 10⁻¹²/0,04² = 89,9 N

Векторна сума

F = √(8,99² + 89,9²) = 90,35 N

Відповідь

F = 90,35 N

3.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: R_eq = 10,64 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 = 20 + 2 = 22 Ω

R₂ ∥ 22 = 3·22/(3+22) = 2,64 Ω

R_eq = R₁ + 2,64 = 8 + 2,64 = 10,64 Ω

Відповідь

R_eq = 10,64 Ω

4.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: I_R1 = 0,3846 A

Об’єднуйте резистори з дальнього кінця

R₅ + R₆ = 4 + 30 = 34 Ω

R₄ ∥ 34 = 8,87 Ω

R₃ + 8,87 = 12,87 Ω

R₂ ∥ 12,87 = 3,601 Ω

R_eq = R₁ + 3,601 = 12 + 3,601 = 15,6 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 = 6/15,6 = 0,3846 A

Відповідь

I_R1 = 0,3846 A

5.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: v_C = 2,294 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 = 3,3·3,3/(3,3 + 3,3) = 1,65 kΩ

v_C(∞) = 9·3,3/(3,3 + 3,3) = 4,5 V

Стала часу

τ = R_th·C = 1,65·68 = 112,2 ms

Крива заряджання

v_C(t) = 4,5·(1 − e^−80/112,2) = 2,294 V

Відповідь

v_C = 2,294 V

6.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: t = 15,25 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) = 8 V, v_C(∞) = V_s = 15 V

τ = R·C = 2,2 kΩ · 10 µF = 22 ms

v_C(t) = 15 + (8 − 15)·e^−t/τ

Виразіть час

11,5 = 15 + (−7)·e^−t/τ → e^−t/τ = (11,5 − 15)/(8 − 15) = 0,5

t = τ·ln((8 − 15)/(11,5 − 15)) = 22·ln(2) = 15,25 ms

Відповідь

t = 15,25 ms

7.Магнітні поля та індукція

Відповідь: ε = 10 V

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).

Зміна потоку на виток

ΔΦ = 2·0,5·0,02 = 0,02 Wb

Середня ЕРС

ε = NΔΦ/Δt = 20·0,02/0,04 = 10 V

Відповідь

ε = 10 V

8.Магнітні поля та індукція

Відповідь: v = 400000 m/s

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).

Вибрана швидкість

Без відхилення: електрична сила qE зрівноважує магнітну силу qvB.

v = E/B₁ = 1 × 10⁵/0,25 = 400000 m/s

Відповідь

v = 400000 m/s

9.Повний опір і комплексні амплітуди

Відповідь: φ = 75,89 °

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|.

Реактивний опір

X_L = ωL = 2π·60·0,02 = 7,54 Ω

Струми віток

Обидві вітки під’єднано безпосередньо до мережі, тож на кожній повна напруга V.

I_R = V/R = 230/30 = 7,667 A

I_X = V/X_L = 230/7,54 = 30,5 A

Загальний струм

Струм резистора збігається за фазою з V, а реактивний струм зсунутий на 90°, тож вони додаються як катети прямокутного трикутника.

I = √(I_R² + I_X²) = √(7,667² + 30,5²) = 31,45 A

Кут зсуву фаз

Струм котушки відстає від V, тож загальний струм відстає, і кут додатний.

φ = arctan(I_X/I_R) = arctan(30,5/7,667) = 75,89°

Відповідь

φ = 75,89°

10.Повний опір і комплексні амплітуди

Відповідь: B = 477,5 Hz

Резонансна частота

f₀ = 1/(2π·√(0,005·0,22·10⁻⁶)) = 4799 Hz

Добротність

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

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/15)·√(0,005/(0,22·10⁻⁶)) = 10,05

Смуга пропускання

B = f₀/Q = 4799/10,05 = 477,5 Hz

Відповідь

B = 477,5 Hz

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