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

Заряди +1 µC і +10 µC розташовані на відстані 60 cm. На якій відстані x від заряду +1 µC на прямій між ними напруженість електричного поля дорівнює нулю?

q₁ = +1 µCq₂ = +10 µCd = 60 cm

x = cm

2.Закон Кулона й електричне полеСкладна

Три додатні точкові заряди розташовані у вершинах прямокутного трикутника: q₃ = 5 µC — у вершині прямого кута, q₁ = 10 µC — на відстані 10 cm від неї вздовж одного катета, q₂ = 6 µC — на відстані 6 cm від неї вздовж другого катета. Знайдіть модуль результуючої електричної сили F, що діє на q₃.

q₁ = 10 µCq₂ = 6 µCq₃ = 5 µCr₁₃ = 10 cmr₂₃ = 6 cm

F = N

3.Послідовні й паралельні резисториСередня

Знайдіть струм I_R2 через R₂.

V₁ = 6 VR₁ = 3 ΩR₂ = 10 ΩR₃ = 8 ΩR₄ = 4 Ω

I_R2 = A

4.Послідовні й паралельні резисториСкладна

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

V₁ = 9 VR₁ = 4 ΩR₂ = 6 ΩR₃ = 4 ΩR₄ = 20 ΩR₅ = 2 ΩR₆ = 12 Ω

I_R1 = A

5.Перехідні процеси RC і RLСередня

Через котушку тече сталий струм 2 A. При t = 0 ключ замикає контур через R і джерело від’єднується, тож струм котушки спадає через R. Скільки часу потрібно, щоб струм зменшився до 1 A? Знайдіть t.

i(0) = 2 AR = 50 ΩL = 220 mH

t = ms

6.Перехідні процеси RC і RLСкладна

Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 8 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі v_C у момент t = 80 ms.

V_s = 20 VR = 3,3 kΩC = 22 µFv_C(0) = 8 Vt = 80 ms

v_C = V

7.Магнітні поля та індукціяСередня

Металевий стрижень довжиною 60 см ковзає зі швидкістю 8 м/с по двох рейках в однорідному полі 0,6 Тл, спрямованому в площину сторінки. Знайдіть індуковану ЕРС ε між його кінцями.

B = 0,6 TL = 60 cmv = 8 m/s

ε = V

8.Магнітні поля та індукціяСкладна

Довгий соленоїд без сердечника має 500 витків, довжину 50 см і діаметр 1,5 см. Знайдіть його індуктивність L.

N = 500l = 50 cm⌀ = 1,5 cmμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A

L = µH

9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня

Послідовне коло RLC підключено до мережі 50 V (діюче значення), 500 Hz. Знайдіть діюче значення струму I.

V = 50 V (rms)f = 500 HzR = 15 ΩL = 50 mHC = 22 µF

I = A

10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна

Послідовне коло RLC підключено до мережі 10 V (діюче значення), 200 Hz. Знайдіть резонансну частоту f₀ кола.

V = 10 V (rms)f = 200 HzR = 25 ΩL = 20 mHC = 10 µF

f₀ = Hz

3Розчини

1.Закон Кулона й електричне поле

Відповідь: x = 14,42 cm

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.

Однакові поля

1/x² = 10/(60 − x)²

(60 − x)/x = √(10/1) = 3,162

Положення

x = 60/(1 + 3,162) = 14,42 cm

Відповідь

x = 14,42 cm

Точка з нульовим полем завжди ближча до меншого заряду.

2.Закон Кулона й електричне поле

Відповідь: F = 87,37 N

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.

Кожна сила, що діє на q₃

F₁ = k·10·5 × 10⁻¹²/0,1² = 44,95 N

F₂ = k·6·5 × 10⁻¹²/0,06² = 74,92 N

Векторна сума

F = √(44,95² + 74,92²) = 87,37 N

Відповідь

F = 87,37 N

3.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: I_R2 = 0,3871 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 + 4 = 12 Ω

R₂ ∥ 12 = 10·12/(10+12) = 5,455 Ω

R_eq = R₁ + 5,455 = 3 + 5,455 = 8,455 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 = 6/8,455 = 0,7097 A

Струм через R₂

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

V_A = V₁ − I_R1·R₁ = 6 − 0,7097·3 = 3,871 V

I_R2 = V_A/R₂ = 3,871/10 = 0,3871 A

Відповідь

I_R2 = 0,3871 A

4.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: I_R1 = 1,121 A

Об’єднуйте резистори з дальнього кінця

R₅ + R₆ = 2 + 12 = 14 Ω

R₄ ∥ 14 = 8,235 Ω

R₃ + 8,235 = 12,24 Ω

R₂ ∥ 12,24 = 4,026 Ω

R_eq = R₁ + 4,026 = 4 + 4,026 = 8,026 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 = 9/8,026 = 1,121 A

Відповідь

I_R1 = 1,121 A

5.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: t = 3,05 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.

Стала часу

τ = L/R = 220 mH / 50 Ω = 4,4 ms

Виразіть час

1 = 2·e^−t/τ → t = τ·ln(2/1)

t = 4,4·ln(2) = 3,05 ms

Відповідь

t = 3,05 ms

6.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: v_C = 16,01 V

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 = 20 V

τ = R·C = 3,3 kΩ · 22 µF = 72,6 ms

v_C(t) = 20 + (8 − 20)·e^−t/τ

Напруга в заданий момент

v_C(80) = 20 + (−12)·e^−80/72,6 = 16,01 V

Відповідь

v_C = 16,01 V

7.Магнітні поля та індукція

Відповідь: ε = 2,88 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).

ЕРС руху

ε = BLv = 0,6·0,6·8 = 2,88 V

Відповідь

ε = 2,88 V

8.Магнітні поля та індукція

Відповідь: L = 111 µH

Поперечний переріз

A = π·(0,0075)² = 0,0001767 m²

Самоіндукція

L = μ₀N²A/l = 4π × 10⁻⁷·500²·0,0001767/0,5 = 0,000111 H = 111 µH

Відповідь

L = 111 µH

9.Повний опір і комплексні амплітуди

Відповідь: I = 0,3487 A

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·500 = 3142 rad/s

X_L = ωL = 3142·0,05 = 157,1 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(3142·22·10⁻⁶) = 14,47 Ω

Повний опір

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

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(15² + (142,6)²) = 143,4 Ω

Струм

Через кожен елемент послідовного кола тече той самий струм.

I = V/|Z| = 50/143,4 = 0,3487 A

Відповідь

I = 0,3487 A

10.Повний опір і комплексні амплітуди

Відповідь: f₀ = 355,9 Hz

Резонанс

При резонансі індуктивний і ємнісний опори взаємно компенсуються: ωL = 1/(ωC). Частота мережі не має значення.

f₀ = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,02·10·10⁻⁶)) = 355,9 Hz

Відповідь

f₀ = 355,9 Hz

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