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 +2 µC і заряд −1 µC розташовані на відстані 30 cm один від одного. Точка P лежить на прямій між ними на відстані 22,5 cm від першого заряду. Знайдіть модуль напруженості електричного поля E у точці P.

q₁ = +2 µCq₂ = −1 µCr₁ = 22,5 cmr₂ = 7,5 cm

E = N/C

2.Закон Кулона й електричне полеСкладна

Три додатні точкові заряди розташовані у вершинах прямокутного трикутника: q₃ = 3 µC — у вершині прямого кута, q₁ = 2 µC — на відстані 6 cm від неї вздовж одного катета, q₂ = 4 µC — на відстані 10 cm від неї вздовж другого катета. Знайдіть модуль результуючої електричної сили F, що діє на q₃.

q₁ = 2 µCq₂ = 4 µCq₃ = 3 µCr₁₃ = 6 cmr₂₃ = 10 cm

F = N

3.Послідовні й паралельні резисториСередня

Знайдіть еквівалентний опір R_eq, який бачить джерело V₁.

V₁ = 10 VR₁ = 3 ΩR₂ = 5 ΩR₃ = 20 ΩR₄ = 5 Ω

R_eq = Ω

4.Послідовні й паралельні резисториСкладна

Знайдіть еквівалентний опір R_eq, який бачить джерело V₁.

V₁ = 15 VR₁ = 12 ΩR₂ = 30 ΩR₃ = 25 ΩR₄ = 4 ΩR₅ = 20 ΩR₆ = 8 Ω

R_eq = Ω

5.Перехідні процеси RC і RLСередня

До замикання вимикача в момент t = 0 струму через котушку немає. Знайдіть струм i у момент t = 5 ms.

V_s = 24 VR = 50 ΩL = 100 mHt = 5 ms

i = A

6.Перехідні процеси RC і RLСкладна

Безпосередньо перед замиканням вимикача в момент t = 0 конденсатор має 12 V з указаною полярністю. Знайдіть напругу на конденсаторі v_C у момент t = 500 ms.

V_s = 5 VR = 6,8 kΩC = 220 µFv_C(0) = 12 Vt = 500 ms

v_C = V

7.Магнітні поля та індукціяСередня

Котушка з 20 витків має площу 20 cm². Котушку перевертають (повертають на 180°) в однорідному полі 0,2 Тл, перпендикулярному до її площини, за 20 мс. Знайдіть середню індуковану ЕРС ε.

N = 20A = 20 cm²B = 0,2 TΔt = 20 ms

ε = mV

8.Магнітні поля та індукціяСкладна

Альфа-частинка проходить без відхилення крізь селектор швидкостей зі схрещеними полями E = 4 × 10⁴ В/м і B₁ = 0,4 Тл. Потім вона влітає в другу область лише з магнітним полем B₂ = 0,2 Тл під прямим кутом. Знайдіть радіус r її траєкторії там.

E = 4 × 10⁴ V/mB₁ = 0,4 TB₂ = 0,2 Tm = 6,645 × 10⁻²⁷ kg|q| = 3,204 × 10⁻¹⁹ C

r = cm

9.Повний опір і комплексні амплітудиСередня

Послідовне коло RLC підключено до мережі 24 V (діюче значення), 60 Hz. Знайдіть кут зсуву фаз φ повного опору в градусах (додатний, коли струм відстає від напруги).

V = 24 V (rms)f = 60 HzR = 20 ΩL = 250 mHC = 22 µF

φ = °

10.Повний опір і комплексні амплітудиСкладна

Послідовне RLC-коло має R = 10 Ω, L = 1 mH і C = 2,2 µF. Знайдіть його смугу пропускання B (ширину смуги між частотами половинної потужності) у Hz.

R = 10 ΩL = 1 mHC = 2,2 µF

B = Hz

3Розчини

1.Закон Кулона й електричне поле

Відповідь: E = 1,953 × 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·2 × 10⁻⁶/0,225² = 355160 N/C

E₂ = k·1 × 10⁻⁶/0,075² = 1,598 × 10⁶ N/C

Напрямки й сума

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

E = |355160 + 1,598 × 10⁶| = 1,953 × 10⁶ N/C

Відповідь

E = 1,953 × 10⁶ N/C

2.Закон Кулона й електричне поле

Відповідь: F = 18,46 N

Кожна сила, що діє на q₃

F₁ = k·2·3 × 10⁻¹²/0,06² = 14,98 N

F₂ = k·4·3 × 10⁻¹²/0,1² = 10,79 N

Векторна сума

F = √(14,98² + 10,79²) = 18,46 N

Відповідь

F = 18,46 N

3.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: R_eq = 7,167 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 + 5 = 25 Ω

R₂ ∥ 25 = 5·25/(5+25) = 4,167 Ω

R_eq = R₁ + 4,167 = 3 + 4,167 = 7,167 Ω

Відповідь

R_eq = 7,167 Ω

4.Послідовні й паралельні резистори

Відповідь: R_eq = 26,62 Ω

Об’єднуйте резистори з дальнього кінця

R₅ + R₆ = 20 + 8 = 28 Ω

R₄ ∥ 28 = 3,5 Ω

R₃ + 3,5 = 28,5 Ω

R₂ ∥ 28,5 = 14,62 Ω

R_eq = R₁ + 14,62 = 12 + 14,62 = 26,62 Ω

Відповідь

R_eq = 26,62 Ω

5.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: i = 0,4406 A

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 = 100 mH / 50 Ω = 2 ms

i(∞) = V_s/R = 24/50 = 0,48 A

Струм у заданий момент

i(t) = i(∞)·(1 − e^−t/τ) = 0,48·(1 − e^−5/2) = 0,4406 A

Відповідь

i = 0,4406 A

6.Перехідні процеси RC і RL

Відповідь: v_C = 10,01 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) = 12 V, v_C(∞) = V_s = 5 V

τ = R·C = 6,8 kΩ · 220 µF = 1496 ms

v_C(t) = 5 + (12 − 5)·e^−t/τ

Напруга в заданий момент

v_C(500) = 5 + (7)·e^−500/1496 = 10,01 V

Відповідь

v_C = 10,01 V

7.Магнітні поля та індукція

Відповідь: ε = 800 mV

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 = 2·0,2·0,002 = 0,0008 Wb

Середня ЕРС

ε = NΔΦ/Δt = 20·0,0008/0,02 = 0,8 V

Відповідь

ε = 800 mV

8.Магнітні поля та індукція

Відповідь: r = 1,037 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).

Вибрана швидкість

Без відхилення: електрична сила qE зрівноважує магнітну силу qvB.

v = E/B₁ = 4 × 10⁴/0,4 = 100000 m/s

Радіус у другому полі

r = mv/(|q|B₂) = 0,01037 m = 1,037 cm

Відповідь

r = 1,037 cm

9.Повний опір і комплексні амплітуди

Відповідь: φ = −52,77 °

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·60 = 377 rad/s

X_L = ωL = 377·0,25 = 94,25 Ω

X_C = 1/(ωC) = 1/(377·22·10⁻⁶) = 120,6 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 + (−26,32)²) = 33,06 Ω

Кут зсуву фаз

φ = arctan((X_L − X_C)/R) = arctan(−26,32/20) = −52,77°

Відповідь

φ = −52,77°

10.Повний опір і комплексні амплітуди

Відповідь: B = 1592 Hz

Резонансна частота

f₀ = 1/(2π·√(0,001·2,2·10⁻⁶)) = 3393 Hz

Добротність

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

Q = (1/R)·√(L/C) = (1/10)·√(0,001/(2,2·10⁻⁶)) = 2,132

Смуга пропускання

B = f₀/Q = 3393/2,132 = 1592 Hz

Відповідь

B = 1592 Hz

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