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 +10 µC і заряд +6 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 = +10 µCq₂ = +6 µCr₁ = 6 cmr₂ = 4 cm

E = N/C

2.Закон Кулона й електричне полеСкладна

Три додатні точкові заряди розташовані у вершинах прямокутного трикутника: q₃ = 8 µC — у вершині прямого кута, q₁ = 4 µC — на відстані 10 cm від неї вздовж одного катета, q₂ = 8 µC — на відстані 6 cm від неї вздовж другого катета. Знайдіть модуль результуючої електричної сили F, що діє на q₃.

q₁ = 4 µCq₂ = 8 µCq₃ = 8 µCr₁₃ = 10 cmr₂₃ = 6 cm

F = N

3.Послідовні й паралельні резисториСередня

Знайдіть струм I_R2 через R₂.

V₁ = 15 VR₁ = 20 ΩR₂ = 5 ΩR₃ = 5 ΩR₄ = 8 Ω

I_R2 = A

4.Послідовні й паралельні резисториСкладна

Знайдіть еквівалентний опір R_eq, який бачить джерело V₁.

V₁ = 30 VR₁ = 5 ΩR₂ = 30 ΩR₃ = 5 ΩR₄ = 20 ΩR₅ = 10 ΩR₆ = 12 Ω

R_eq = Ω

5.Перехідні процеси RC і RLСередня

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть енергію W, накопичену в котушці при t = 1 ms, у mJ.

V_s = 9 VR = 50 ΩL = 68 mHt = 1 ms

W = mJ

6.Перехідні процеси RC і RLСкладна

Ключ був замкнений тривалий час, тож коло в усталеному режимі. При t = 0 ключ розмикається. Знайдіть напругу на конденсаторі v_C у момент t = 120 ms.

V_s = 9 VR₁ = 3,3 kΩR₂ = 6,8 kΩC = 22 µFt = 120 ms

v_C = V

7.Магнітні поля та індукціяСередня

Електрон рухається по колу в однорідному магнітному полі 2,5 mT. Знайдіть час T одного оберту.

m = 9,109 × 10⁻³¹ kg|q| = 1,602 × 10⁻¹⁹ CB = 2,5 mT

T = ns

8.Магнітні поля та індукціяСкладна

Довгий соленоїд без сердечника має 500 витків, довжину 10 см і діаметр 1 см. Знайдіть енергію W, запасену в його магнітному полі, коли він проводить 1 А.

N = 500l = 10 cm⌀ = 1 cmI = 1 Aμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A

W = µJ

9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня

Послідовне коло RLC підключено до мережі 50 V (діюче значення), 200 Hz. Знайдіть активну потужність P, що споживається від мережі.

V = 50 V (rms)f = 200 HzR = 80 ΩL = 100 mHC = 2,2 µF

P = W

10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна

Послідовне коло RLC підключено до мережі 120 V (діюче значення), 1000 Hz. Знайдіть діюче значення напруги V_C на конденсаторі.

V = 120 V (rms)f = 1000 HzR = 20 ΩL = 20 mHC = 22 µF

V_C = V

3Розчини

1.Закон Кулона й електричне поле

Відповідь: E = 8,74 × 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·10 × 10⁻⁶/0,06² = 2,497 × 10⁷ N/C

E₂ = k·6 × 10⁻⁶/0,04² = 3,371 × 10⁷ N/C

Напрямки й сума

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

E = |2,497 × 10⁷ − 3,371 × 10⁷| = 8,74 × 10⁶ N/C

Відповідь

E = 8,74 × 10⁶ N/C

2.Закон Кулона й електричне поле

Відповідь: F = 162,4 N

Кожна сила, що діє на q₃

F₁ = k·4·8 × 10⁻¹²/0,1² = 28,77 N

F₂ = k·8·8 × 10⁻¹²/0,06² = 159,8 N

Векторна сума

F = √(28,77² + 159,8²) = 162,4 N

Відповідь

F = 162,4 N

3.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: I_R2 = 0,4588 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 = 5 + 8 = 13 Ω

R₂ ∥ 13 = 5·13/(5+13) = 3,611 Ω

R_eq = R₁ + 3,611 = 20 + 3,611 = 23,61 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 = 15/23,61 = 0,6353 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 − 0,6353·20 = 2,294 V

I_R2 = V_A/R₂ = 2,294/5 = 0,4588 A

Відповідь

I_R2 = 0,4588 A

4.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: R_eq = 15,21 Ω

Об’єднуйте резистори з дальнього кінця

R₅ + R₆ = 10 + 12 = 22 Ω

R₄ ∥ 22 = 10,48 Ω

R₃ + 10,48 = 15,48 Ω

R₂ ∥ 15,48 = 10,21 Ω

R_eq = R₁ + 10,21 = 5 + 10,21 = 15,21 Ω

Відповідь

R_eq = 15,21 Ω

5.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: W = 0,2986 mJ

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 = 68 mH / 50 Ω = 1,36 ms

i(∞) = V_s/R = 9/50 = 0,18 A

Струм у заданий момент

i(t) = 0,18·(1 − e^−1/1,36) = 0,09371 A

Накопичена енергія

W = ½·L·i² = ½·68·0,09371² = 0,2986 mJ

Відповідь

W = 0,2986 mJ

6.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: v_C = 2,717 V

Початкова напруга на конденсаторі

В усталеному режимі конденсатор — розрив кола, тож R₁ і R₂ утворюють подільник напруги. Напруга на конденсаторі не може змінитися стрибком у момент розмикання ключа.

v_C(0) = 9·6,8/(3,3 + 6,8) = 6,059 V

Стала часу після розмикання ключа

τ = R₂·C = 6,8·22 = 149,6 ms

Розряджання

v_C(t) = 6,059·e^−120/149,6 = 2,717 V

Відповідь

v_C = 2,717 V

7.Магнітні поля та індукція

Відповідь: T = 14,29 ns

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).

Період колового руху

Швидша частинка рухається по більшому колу, тож час одного оберту лишається незмінним.

T = 2πm/(|q|B) = 2π·9,109 × 10⁻³¹/(1,602 × 10⁻¹⁹·0,0025) = 14,29 ns

Відповідь

T = 14,29 ns

Швидкість не потрібна: саме тому циклотрон може використовувати одну фіксовану частоту.

8.Магнітні поля та індукція

Відповідь: W = 123,4 µJ

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 = 246,7 µH

Накопичена енергія

W = ½LI² = ½·0,0002467·1² = 0,0001234 J = 123,4 µJ

Відповідь

W = 123,4 µJ

9.Повний опір і комплексні амплітуди

Відповідь: P = 3,22 W

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 = 361,7 Ω

Повний опір

|Z| = √(80² + (−236,1)²) = 249,2 Ω

Активна потужність

Котушки й конденсатори лише накопичують і повертають енергію; усю активну потужність споживає резистор.

I = 50/249,2 = 0,2006 A

P = I²·R = 0,2006²·80 = 3,22 W

Відповідь

P = 3,22 W

10.Повний опір і комплексні амплітуди

Відповідь: V_C = 7,228 V

Реактивні опори

ω = 2πf = 2π·1000 = 6283 rad/s

X_L = ωL = 6283·0,02 = 125,7 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(6283·22·10⁻⁶) = 7,234 Ω

Повний опір

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

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(20² + (118,4)²) = 120,1 Ω

Струм

Через кожен елемент послідовного кола тече той самий струм.

I = V/|Z| = 120/120,1 = 0,9991 A

Напруга на конденсаторі

V_C = I·X_C = 0,9991·7,234 = 7,228 V

Відповідь

V_C = 7,228 V

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