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

Три точкові заряди лежать на одній прямій: +10 µC ліворуч, −2 µC праворуч на відстані 20 cm і +3 µC між ними, на відстані 8 cm від лівого заряду. Знайдіть модуль результуючої електричної сили F, що діє на середній заряд. Прийміть k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².

q_L = +10 µCq_R = −2 µCq_M = +3 µCr_L = 8 cmr_R = 12 cm

F = N

2.Закон Кулона й електричне полеСкладна

Три додатні точкові заряди розташовані у вершинах прямокутного трикутника: q₃ = 1 µC — у вершині прямого кута, q₁ = 6 µC — на відстані 6 cm від неї вздовж одного катета, q₂ = 1 µC — на відстані 4 cm від неї вздовж другого катета. Знайдіть модуль результуючої електричної сили F, що діє на q₃.

q₁ = 6 µCq₂ = 1 µCq₃ = 1 µCr₁₃ = 6 cmr₂₃ = 4 cm

F = N

3.Послідовні й паралельні резисториСередня

Знайдіть еквівалентний опір R_eq, який бачить джерело V₁.

V₁ = 18 VR₁ = 12 ΩR₂ = 4 ΩR₃ = 15 ΩR₄ = 6 Ω

R_eq = Ω

4.Послідовні й паралельні резисториСкладна

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

V₁ = 12 VR₁ = 6 ΩR₂ = 8 ΩR₃ = 3 ΩR₄ = 8 ΩR₅ = 4 ΩR₆ = 3 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 = 120 ms.

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

v_C = V

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. Знайдіть струм котушки i при t = 2 ms.

V_s = 10 VR₁ = 20 ΩR₂ = 20 ΩL = 33 mHt = 2 ms

i = A

7.Магнітні поля та індукціяСередня

Котушка з 250 витків має площу 25 cm². Котушку перевертають (повертають на 180°) в однорідному полі 0,5 Тл, перпендикулярному до її площини, за 10 мс. Знайдіть середню індуковану ЕРС ε.

N = 250A = 25 cm²B = 0,5 TΔt = 10 ms

ε = V

8.Магнітні поля та індукціяСкладна

Дейтрон починає рух зі стану спокою, прискорюється в різниці потенціалів 500 В, а потім влітає в однорідне магнітне поле 0,3 Тл під прямим кутом. Знайдіть радіус r його траєкторії в полі.

m = 3,344 × 10⁻²⁷ kg|q| = 1,602 × 10⁻¹⁹ CV = 500 VB = 0,3 T

r = cm

9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня

Послідовне RLC-коло з L = 20 mH має резонувати на частоті 50 Hz. Знайдіть потрібну ємність C.

f₀ = 50 HzL = 20 mH

C = µF

10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна

Послідовне коло RLC підключено до мережі 12 V (діюче значення), 500 Hz. Знайдіть діюче значення струму I.

V = 12 V (rms)f = 500 HzR = 40 ΩL = 20 mHC = 10 µF

I = A

3Розчини

1.Закон Кулона й електричне поле

Відповідь: F = 45,89 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.

Сила від кожного заряду

Напрямок праворуч додатний.

F_L = +k·10·3 × 10⁻¹²/0,08² = 42,14 N

F_R = +k·2·3 × 10⁻¹²/0,12² = 3,746 N

Результуюча сила

F = 42,14 + (3,746) = 45,89 N → |F| = 45,89 N

Відповідь

F = 45,89 N

Результуюча сила спрямована праворуч.

2.Закон Кулона й електричне поле

Відповідь: F = 16 N

Кожна сила, що діє на q₃

F₁ = k·6·1 × 10⁻¹²/0,06² = 14,98 N

F₂ = k·1·1 × 10⁻¹²/0,04² = 5,619 N

Векторна сума

F = √(14,98² + 5,619²) = 16 N

Відповідь

F = 16 N

3.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: R_eq = 15,36 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 = 15 + 6 = 21 Ω

R₂ ∥ 21 = 4·21/(4+21) = 3,36 Ω

R_eq = R₁ + 3,36 = 12 + 3,36 = 15,36 Ω

Відповідь

R_eq = 15,36 Ω

4.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: I_R1 = 1,243 A

Об’єднуйте резистори з дальнього кінця

R₅ + R₆ = 4 + 3 = 7 Ω

R₄ ∥ 7 = 3,733 Ω

R₃ + 3,733 = 6,733 Ω

R₂ ∥ 6,733 = 3,656 Ω

R_eq = R₁ + 3,656 = 6 + 3,656 = 9,656 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 = 12/9,656 = 1,243 A

Відповідь

I_R1 = 1,243 A

5.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: v_C = 3,693 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 = 3,3·6,8/(3,3 + 6,8) = 2,222 kΩ

v_C(∞) = 6·6,8/(3,3 + 6,8) = 4,04 V

Стала часу

τ = R_th·C = 2,222·22 = 48,88 ms

Крива заряджання

v_C(t) = 4,04·(1 − e^−120/48,88) = 3,693 V

Відповідь

v_C = 3,693 V

6.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: i = 0,4256 A

Початкове значення, кінцеве значення, стала часу

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

i(0) = 10/(20 + 20) = 0,25 A

i(∞) = 10/20 = 0,5 A

τ = L/R = 33/20 = 1,65 ms

i(t) = 0,5 + (0,25 − 0,5)·e^−t/τ

Струм у заданий момент

i(2) = 0,5 + (−0,25)·e^−2/1,65 = 0,4256 A

Відповідь

i = 0,4256 A

7.Магнітні поля та індукція

Відповідь: ε = 62,5 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 = 2·0,5·0,0025 = 0,0025 Wb

Середня ЕРС

ε = NΔΦ/Δt = 250·0,0025/0,01 = 62,5 V

Відповідь

ε = 62,5 V

8.Магнітні поля та індукція

Відповідь: r = 1,523 cm

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).

Швидкість після прискорення

v = √(2|q|V/m) = √(2·1,602 × 10⁻¹⁹·500/(3,344 × 10⁻²⁷)) = 218876 m/s

Радіус у полі

r = mv/(|q|B) = 0,01523 m = 1,523 cm

Відповідь

r = 1,523 cm

Разом: r = √(2mV/|q|)/B, тож важчі іони з тим самим зарядом рухаються по більших колах; так розділяють ізотопи.

9.Повний опір і комплексні амплітуди

Відповідь: C = 506,6 µF

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|.

Умова резонансу

При резонансі індуктивний і ємнісний опори взаємно компенсуються: ωL = 1/(ωC).

ω₀ = 2π·50 = 314,2 rad/s

C = 1/(ω₀²·L) = 1/(314,2²·0,02) = 506,6 µF

Відповідь

C = 506,6 µF

10.Повний опір і комплексні амплітуди

Відповідь: I = 0,2371 A

Реактивні опори

ω = 2πf = 2π·500 = 3142 rad/s

X_L = ωL = 3142·0,02 = 62,83 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(3142·10·10⁻⁶) = 31,83 Ω

Повний опір

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

|Z| = √(R² + (X_L − X_C)²) = √(40² + (31)²) = 50,61 Ω

Струм

Через кожен елемент послідовного кола тече той самий струм.

I = V/|Z| = 12/50,61 = 0,2371 A

Відповідь

I = 0,2371 A

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