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 +4 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 = +4 µCq₂ = +1 µCr₁ = 12 cmr₂ = 8 cm

E = N/C

2.Закон Кулона й електричне полеСкладна

Електрон влітає в однорідне поле між двома паралельними пластинами, рухаючись паралельно їм зі швидкістю 1,5 × 10⁷ m/s. Довжина пластин 8 cm, напруженість поля між ними 4600 N/C. Заряд електрона 1,602 × 10⁻¹⁹ C, маса 9,109 × 10⁻³¹ kg; силою тяжіння знехтуйте. На яку відстань y він відхилиться вбік на виході з пластин? Дайте відповідь у mm.

v₀ = 1,5 × 10⁷ m/sL = 8 cmE = 4600 N/Ce = 1,602 × 10⁻¹⁹ Cm_e = 9,109 × 10⁻³¹ kg

y = mm

3.Послідовні й паралельні резисториСередня

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

V₁ = 10 VR₁ = 8 ΩR₂ = 3 ΩR₃ = 15 ΩR₄ = 12 Ω

I_R1 = A

4.Послідовні й паралельні резисториСкладна

Знайдіть еквівалентний опір R_eq, який бачить джерело V₁.

V₁ = 18 VR₁ = 15 ΩR₂ = 10 ΩR₃ = 3 ΩR₄ = 2 ΩR₅ = 30 ΩR₆ = 8 Ω

R_eq = Ω

5.Перехідні процеси RC і RLСередня

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Через який час після замикання вимикача струм досягне 80% кінцевого значення? Знайдіть t.

V_s = 6 VR = 20 ΩL = 33 mH

t = ms

6.Перехідні процеси RC і RLСкладна

Ключ паралельно R₂ був розімкнений тривалий час, тож струм котушки сталий. При t = 0 ключ замикається й закорочує R₂. Через який час після t = 0 струм котушки досягне 0,207 A? Знайдіть t.

V_s = 6 VR₁ = 20 ΩR₂ = 33 ΩL = 22 mH

t = ms

7.Магнітні поля та індукціяСередня

Два довгі паралельні провідники на відстані 8 см один від одного проводять струми 20 А і 5 А у протилежних напрямках. Знайдіть силу на метр довжини F/L між ними.

I₁ = 20 AI₂ = 5 Ad = 8 cmμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A

F/L = µN/m

8.Магнітні поля та індукціяСкладна

Дві котушки з індуктивностями 100 мГн і 20 мГн мають коефіцієнт зв’язку 0,6. Струм у першій котушці змінюється зі швидкістю 20 А/с. Знайдіть ЕРС ε, індуковану в другій котушці.

L₁ = 100 mHL₂ = 20 mHk = 0,6di/dt = 20 A/s

ε = V

9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня

Послідовне коло RLC підключено до мережі 230 V (діюче значення), 60 Hz. Знайдіть коефіцієнт потужності cos φ кола.

V = 230 V (rms)f = 60 HzR = 10 ΩL = 20 mHC = 47 µF

cos φ =

10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна

Резистор R₁ увімкнено послідовно з паралельним з’єднанням R₂ і конденсатора C; коло під’єднано до мережі 24 V (діюче значення), 500 Hz. Знайдіть модуль повного опору |Z|.

V = 24 V (rms)f = 500 HzR₁ = 30 ΩR₂ = 60 ΩC = 10 µF

|Z| = Ω

3Розчини

1.Закон Кулона й електричне поле

Відповідь: E = 1,093 × 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·4 × 10⁻⁶/0,12² = 2,497 × 10⁶ N/C

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

Напрямки й сума

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

E = |2,497 × 10⁶ − 1,405 × 10⁶| = 1,093 × 10⁶ N/C

Відповідь

E = 1,093 × 10⁶ N/C

2.Закон Кулона й електричне поле

Відповідь: y = 11,51 mm

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.

Час між пластинами

t = L/v₀ = 0,08/1,5 × 10⁷ = 5,333 × 10⁻⁹ s

Поперечне прискорення

a = e·E/m = 1,602 × 10⁻¹⁹·4600/9,109 × 10⁻³¹ = 8,09 × 10¹⁴ m/s²

Прогин

y = ½·a·t² = ½·8,09 × 10¹⁴·(5,333 × 10⁻⁹)² = 0,01151 m = 11,51 mm

Відповідь

y = 11,51 mm

Електрон відхиляється до додатної пластини, проти напрямку поля.

3.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: I_R1 = 0,9346 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 = 15 + 12 = 27 Ω

R₂ ∥ 27 = 3·27/(3+27) = 2,7 Ω

R_eq = R₁ + 2,7 = 8 + 2,7 = 10,7 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 = 10/10,7 = 0,9346 A

Відповідь

I_R1 = 0,9346 A

4.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: R_eq = 18,29 Ω

Об’єднуйте резистори з дальнього кінця

R₅ + R₆ = 30 + 8 = 38 Ω

R₄ ∥ 38 = 1,9 Ω

R₃ + 1,9 = 4,9 Ω

R₂ ∥ 4,9 = 3,289 Ω

R_eq = R₁ + 3,289 = 15 + 3,289 = 18,29 Ω

Відповідь

R_eq = 18,29 Ω

5.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: t = 2,656 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 і кінцевий струм

Через тривалий час після замикання котушка поводиться як коротке замикання, тож кінцевий струм визначає лише R.

τ = L/R = 33 mH / 20 Ω = 1,65 ms

i(∞) = V_s/R = 6/20 = 0,3 A

Виразіть час

0,8 = 1 − e^−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,8)

t = −1,65·ln(0,2) = 2,656 ms

Відповідь

t = 2,656 ms

6.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: t = 0,7671 ms

Початкове значення, кінцеве значення, стала часу

До t = 0 у контурі обидва резистори; після цього замкнений ключ шунтує R₂.

i(0) = 6/(20 + 33) = 0,1132 A

i(∞) = 6/20 = 0,3 A

τ = L/R = 22/20 = 1,1 ms

i(t) = 0,3 + (0,1132 − 0,3)·e^−t/τ

Виразіть час

e^−t/τ = (0,207 − 0,3)/(0,1132 − 0,3) = 0,4979

t = 1,1·ln(2,009) = 0,7671 ms

Відповідь

t = 0,7671 ms

7.Магнітні поля та індукція

Відповідь: F/L = 250 µN/m

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).

Сила на метр

F/L = μ₀I₁I₂/(2πd) = 2 × 10⁻⁷·20·5/0,08 = 250 µN/m

Відповідь

F/L = 250 µN/m

Струми протилежних напрямків відштовхуються.

8.Магнітні поля та індукція

Відповідь: ε = 0,5367 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).

Взаємна індуктивність

M = 0,6·√(100·20) = 26,83 mH

Індукована ЕРС

ε = M·di/dt = 0,02683·20 = 0,5367 V

Відповідь

ε = 0,5367 V

9.Повний опір і комплексні амплітуди

Відповідь: cos φ = 0,2004

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 = 7,54 Ω, X_C = 56,44 Ω

Повний опір

|Z| = √(10² + (−48,9)²) = 49,91 Ω

Коефіцієнт потужності

cos φ = R/|Z| = 10/49,91 = 0,2004

Коло ємнісне, тож коефіцієнт потужності ємнісний (струм випереджає).

Відповідь

cos φ = 0,2004

10.Повний опір і комплексні амплітуди

Відповідь: |Z| = 49,81 Ω

Реактивний опір

X_C = 1/(2π·500·10·10⁻⁶) = 31,83 Ω

Паралельне з’єднання

Помножте чисельник і знаменник на комплексно спряжене, щоб розділити Z_p на дійсну й уявну частини.

Z_p = R₂·(−jX_C)/(R₂ − jX_C) = (R₂·X_C² − jR₂²·X_C)/(R₂² + X_C²)

Z_p = 13,18 − j24,84 Ω

Повний опір

Z = 30 + 13,18 − j24,84 = 43,18 − j24,84 Ω

|Z| = √(43,18² + 24,84²) = 49,81 Ω

Відповідь

|Z| = 49,81 Ω

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