Định luật Coulomb và điện trường
- Định luật Coulomb
- F = k·|q1q2|/r²
- Trường của điện tích điểm
- E = k·|q|/r²
- Hằng số
- k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C²
- Lực lên một điện tích
- F = q·E
Vật lý 2: Điện và từ: gói ôn nước rút
Bảng công thức, các bước phương pháp chính cho từng chủ đề và 10 bài tập, kèm lời giải đầy đủ ở cuối.
1Công thức và phương pháp
Điện trở nối tiếp và song song
- Điện trở nối tiếp
- Req = R1 + R2 + …
- Điện trở song song
- 1/Req = 1/R1 + 1/R2 + …
- Hai điện trở song song
- Req = R1R2 / (R1 + R2)
- Định luật Ohm
- V = I·R
- Công suất
- P = V·I = I²R = V²/R
Phương pháp
- Bắt đầu từ đầu của mạng xa các cực nhất.
- Gộp các điện trở nối tiếp bằng cách cộng chúng, và các điện trở song song bằng 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …
- Vẽ lại mạch sau mỗi bước.
- Lặp lại cho đến khi chỉ còn một điện trở giữa hai cực.
Quá độ RC và RL
- Hằng số thời gian
- τ = RC | τ = L/R
- Đáp ứng
- x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ
- Tụ điện ở chế độ một chiều
- hở mạch; vC không thể nhảy vọt
- Cuộn cảm ở chế độ một chiều
- ngắn mạch; iL không thể nhảy vọt
- Đã ổn định
- t ≈ 5τ
Phương pháp
- Tìm giá trị ban đầu ngay sau khi đóng cắt: điện áp tụ điện và dòng điện cuộn cảm không thể nhảy vọt.
- Tìm giá trị cuối rất lâu sau khi đóng cắt: tụ điện hoạt động như hở mạch, cuộn cảm như ngắn mạch.
- Tìm hằng số thời gian: τ = RC hoặc τ = L/R, dùng điện trở mà tụ điện hoặc cuộn cảm nhìn thấy.
- Dùng x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ.
Từ trường & cảm ứng điện từ
- Dây thẳng dài
- B = μ0I/(2πr)
- Tâm của cuộn dây phẳng
- B = μ0NI/(2R)
- Ống dây dài
- B = μ0nI, n = N/L
- Hằng số
- μ0 = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
- Lực lên một dây
- F = BIL·sin θ
- Lực lên một điện tích
- F = |q|vB·sin θ
- Chuyển động tròn
- r = mv/(|q|B), T = 2πm/(|q|B)
- Các dây song song
- F/L = μ0I1I2/(2πd)
- Từ thông
- Φ = BA·cos θ
- Định luật Faraday
- ε = −N·ΔΦ/Δt
- Thanh chuyển động
- ε = BLv
- Máy phát điện
- E0 = NBAω, Erms = E0/√2
- Độ tự cảm
- ε = L·ΔI/Δt, L = μ0N²A/l, W = ½LI²
- Hỗ cảm
- ε2 = M·di1/dt, M = k√(L1L2)
- Bộ chọn vận tốc và khối phổ kế
- v = E/B, r = √(2mV/|q|)/B
Phương pháp
- Hãy đổi mọi đại lượng sang đơn vị SI: cm sang m, cm² sang m², mT và µT sang T.
- Hãy chọn đúng công thức: B = μ₀I/(2πr) cho dây, μ₀NI/(2R) cho tâm của cuộn dây, μ₀nI bên trong ống dây; F = BIL·sin θ hoặc |q|vB·sin θ cho các lực.
- Với cảm ứng, hãy tìm độ biến thiên từ thông ΔΦ = Δ(BA·cos θ) và dùng ε = N·ΔΦ/Δt, hoặc ε = BLv cho thanh chuyển động và NBAω cho cuộn dây quay.
- Hãy tìm các chiều riêng bằng quy tắc bàn tay phải, và định luật Lenz cho dòng điện cảm ứng.
Tổng trở xoay chiều và phasor
- Tổng trở
- ZR = R, ZL = jωL, ZC = 1/(jωC)
- Tần số góc
- ω = 2πf
- Độ lớn và góc
- |Z| = √(R² + X²), φ = atan(X/R)
- Định luật Ohm dạng phasor
- V = I·Z
Phương pháp
- Đổi tần số: ω = 2πf.
- Tìm từng điện kháng: XL = ωL và XC = 1/(ωC).
- Cộng các tổng trở như điện trở, với Z = R + jX.
- Tìm độ lớn |Z| = √(R² + X²) và góc φ = atan(X/R), rồi dùng định luật Ohm với phasor.
2Bài tập
1.Định luật Coulomb và điện trườngTrung bình
Ba điện tích điểm nằm trên một đường thẳng: −3 µC ở bên trái, −1 µC ở bên phải cách 20 cm, và +6 µC ở giữa, cách điện tích bên trái 15 cm. Tìm độ lớn của hợp lực điện F tác dụng lên điện tích ở giữa. Use k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².
qL = −3 µCqR = −1 µCqM = +6 µCrL = 15 cmrR = 5 cm
F = N
2.Định luật Coulomb và điện trườngKhó
Hai quả cầu nhỏ giống hệt nhau, mỗi quả có khối lượng 1 g, treo từ cùng một điểm bằng các sợi dây cách điện dài 50 cm. Chúng được tích điện bằng nhau và mỗi sợi dây nằm lệch 8° so với phương thẳng đứng. Dùng g = 9,81 m/s². Tìm điện tích q trên mỗi quả cầu theo nC. Use k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C².
m = 1 gL = 50 cmθ = 8°g = 9,81 m/s²
q = nC
3.Điện trở nối tiếp và song songTrung bình
Tìm dòng điện IR2 qua R2.
V1 = 15 VR1 = 2 ΩR2 = 15 ΩR3 = 12 ΩR4 = 2 Ω
IR2 = A
4.Điện trở nối tiếp và song songKhó
Tìm dòng điện IR1 do nguồn cung cấp, chạy qua R1.
V1 = 5 VR1 = 3 ΩR2 = 8 ΩR3 = 12 ΩR4 = 15 ΩR5 = 8 ΩR6 = 20 Ω
IR1 = A
5.Quá độ RC và RLTrung bình
Cuộn cảm không có dòng điện trước khi khóa đóng tại t = 0. Tìm dòng điện i tại t = 1 ms.
Vs = 6 VR = 47 ΩL = 33 mHt = 1 ms
i = A
6.Quá độ RC và RLKhó
Ngay trước khi khóa đóng tại t = 0, tụ điện giữ 8 V với cực tính như hình. Tìm điện áp tụ điện vC tại t = 250 ms.
Vs = 6 VR = 10 kΩC = 33 µFvC(0) = 8 Vt = 250 ms
vC = V
7.Từ trường & cảm ứng điện từTrung bình
Hai dây song song dài cách nhau 20 cm mang dòng điện 5 A và 25 A cùng chiều. Hãy tìm độ lớn cảm ứng từ B tại điểm P, ở giữa hai dây.
I1 = 5 AI2 = 25 Ad = 20 cmμ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A
B = µT
8.Từ trường & cảm ứng điện từKhó
Dòng điện trong một cuộn cảm 500 mH thay đổi đều từ 2 A đến 0 A trong 20 ms. Hãy tìm độ lớn của suất điện động tự cảm ε.
L = 500 mH2 A → 0 AΔt = 20 ms
ε = V
9.Tổng trở xoay chiều và phasorTrung bình
Một mạch RLC nối tiếp được nối với nguồn 50 V (hiệu dụng), 1000 Hz. Tìm dòng điện hiệu dụng I.
V = 50 V (rms)f = 1000 HzR = 80 ΩL = 100 mHC = 2,2 µF
I = A
10.Tổng trở xoay chiều và phasorKhó
Một mạch RLC nối tiếp được nối với nguồn 50 V (hiệu dụng), 60 Hz. Tìm điện áp hiệu dụng VC trên tụ điện.
V = 50 V (rms)f = 60 HzR = 60 ΩL = 200 mHC = 22 µF
VC = V
3Dung dịch
1.Định luật Coulomb và điện trường
Đáp số: F = 14,38 N
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.
Lực từ mỗi điện tích
Chiều sang phải là dương.
FL = −k·3·6 × 10⁻¹²/0,15² = −7,192 N
FR = +k·1·6 × 10⁻¹²/0,05² = 21,58 N
Hợp lực
F = −7,192 + (21,58) = 14,38 N → |F| = 14,38 N
Đáp số
F = 14,38 N
Hợp lực hướng sang phải.
2.Định luật Coulomb và điện trường
Đáp số: q = 54,5 nC
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.
Lực điện từ điều kiện cân bằng
Thành phần nằm ngang của lực căng cân bằng với F, thành phần thẳng đứng cân bằng với m·g.
F = m·g·tan θ = 0,001·9,81·tan 8° = 0,001379 N
Khoảng cách
r = 2·L·sin θ = 2·0,5·sin 8° = 0,1392 m
Điện tích
F = k·q²/r² → q = r·√(F/k) = 0,1392·√(0,001379/8,99 × 10⁹) = 5,45 × 10⁻⁸ C = 54,5 nC
Đáp số
q = 54,5 nC
3.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: IR2 = 0,7836 A
Điện trở nối tiếp và song song: khi nối tiếp, cùng một dòng điện chạy qua mỗi điện trở và R = R₁ + R₂ + …. Khi song song, mỗi điện trở có cùng điện áp và 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Mạch hình thang được rút gọn từng cặp một cho đến khi còn một điện trở tương đương duy nhất.
Gộp các điện trở từ đầu xa
Bắt đầu từ đầu xa nguồn nhất và làm ngược về phía nguồn. Các điện trở có cùng dòng điện thì mắc nối tiếp; các điện trở nối giữa cùng hai nút thì mắc song song.
R3 + R4 = 12 + 2 = 14 Ω
R2 ∥ 14 = 15·14/(15+14) = 7,241 Ω
Req = R1 + 7,241 = 2 + 7,241 = 9,241 Ω
Dòng điện từ nguồn
Nguồn chỉ thấy Req, nên định luật Ohm cho ra dòng điện nó cung cấp. Dòng điện đó chạy qua R₁.
IR1 = V1/Req = 15/9,241 = 1,623 A
Dòng điện qua R₂
Trừ độ sụt áp trên R₁ để có điện áp tại nút A, cũng là điện áp trên R₂.
VA = V1 − IR1·R1 = 15 − 1,623·2 = 11,75 V
IR2 = VA/R2 = 11,75/15 = 0,7836 A
Đáp số
IR2 = 0,7836 A
4.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: IR1 = 0,565 A
Điện trở nối tiếp và song song: khi nối tiếp, cùng một dòng điện chạy qua mỗi điện trở và R = R₁ + R₂ + …. Khi song song, mỗi điện trở có cùng điện áp và 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …. Mạch hình thang được rút gọn từng cặp một cho đến khi còn một điện trở tương đương duy nhất.
Gộp các điện trở từ đầu xa
Bắt đầu từ đầu xa nguồn nhất và làm ngược về phía nguồn. Các điện trở có cùng dòng điện thì mắc nối tiếp; các điện trở nối giữa cùng hai nút thì mắc song song.
R5 + R6 = 8 + 20 = 28 Ω
R4 ∥ 28 = 9,767 Ω
R3 + 9,767 = 21,77 Ω
R2 ∥ 21,77 = 5,85 Ω
Req = R1 + 5,85 = 3 + 5,85 = 8,85 Ω
Dòng điện từ nguồn
Nguồn chỉ thấy Req, nên định luật Ohm cho ra dòng điện nó cung cấp. Dòng điện đó chạy qua R₁.
IR1 = V1/Req = 5/8,85 = 0,565 A
Đáp số
IR1 = 0,565 A
5.Quá độ RC và RL
Đáp số: i = 0,09693 A
Quá độ bậc nhất: trong mạch có một tụ điện hoặc một cuộn cảm, mọi điện áp và dòng điện biến thiên theo hàm mũ từ giá trị ban đầu đến giá trị cuối: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, với τ = RC hoặc τ = L/R. Sau khoảng 5τ mạch đã ổn định.
Hằng số thời gian và dòng điện cuối
Rất lâu sau khi khóa đóng, cuộn cảm hoạt động như ngắn mạch, nên dòng điện cuối chỉ do R quyết định.
τ = L/R = 33 mH / 47 Ω = 0,7021 ms
i(∞) = Vs/R = 6/47 = 0,1277 A
Dòng điện tại thời điểm đã cho
i(t) = i(∞)·(1 − e−t/τ) = 0,1277·(1 − e−1/0,7021) = 0,09693 A
Đáp số
i = 0,09693 A
6.Quá độ RC và RL
Đáp số: vC = 6,938 V
Quá độ bậc nhất: trong mạch có một tụ điện hoặc một cuộn cảm, mọi điện áp và dòng điện biến thiên theo hàm mũ từ giá trị ban đầu đến giá trị cuối: x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ, với τ = RC hoặc τ = L/R. Sau khoảng 5τ mạch đã ổn định.
Giá trị đầu, giá trị cuối, hằng số thời gian
Điện áp tụ điện không thể nhảy vọt, nên nó bắt đầu từ giá trị đã tích và hướng tới điện áp nguồn.
vC(0) = 8 V, vC(∞) = Vs = 6 V
τ = R·C = 10 kΩ · 33 µF = 330 ms
vC(t) = 6 + (8 − 6)·e−t/τ
Điện áp tại thời điểm đã cho
vC(250) = 6 + (2)·e−250/330 = 6,938 V
Đáp số
vC = 6,938 V
7.Từ trường & cảm ứng điện từ
Đáp số: B = 40 µT
Từ trường của dòng điện: quanh một dây thẳng dài các đường sức là những đường tròn (quy tắc nắm tay phải) với B = μ₀I/(2πr). Tại tâm của một cuộn dây tròn phẳng N vòng, B = μ₀NI/(2R). Bên trong một ống dây dài từ trường đều, B = μ₀nI với n = N/L vòng trên mét, bất kể bán kính. μ₀ = 4π × 10⁻⁷ T·m/A. Hãy làm việc với đơn vị SI (mét và ampe), và cộng từ trường của nhiều nguồn như các vectơ.
Từ trường của mỗi dây tại P
B1 = 2 × 10⁻⁷·5/0,1 = 10 µT
B2 = 2 × 10⁻⁷·25/0,1 = 50 µT
Kết hợp
B = |B₁ − B₂| = 40 µT
Đáp số
B = 40 µT
8.Từ trường & cảm ứng điện từ
Đáp số: ε = 50 V
Cảm ứng điện từ: từ thông qua một vòng dây là Φ = BA·cos θ, với θ giữa B và pháp tuyến của vòng dây. Định luật Faraday: một sự thay đổi từ thông cảm ứng suất điện động emf = −N·dΦ/dt trong một cuộn dây N vòng, và định luật Lenz nói rằng dòng điện cảm ứng chạy sao cho từ trường của chính nó chống lại sự thay đổi. Một thanh chuyển động ngang qua từ trường cho emf = BLv. Một cuộn dây quay với tốc độ ω cho e = NBAω·sin ωt, giá trị đỉnh NBAω. Độ tự cảm: emf = −L·di/dt, với L = μ₀N²A/l cho một ống dây dài, và năng lượng tích trữ là W = ½LI². Hai cuộn dây ghép: emf₂ = −M·di₁/dt với M = k√(L₁L₂).
Suất điện động tự cảm
Suất điện động chống lại sự thay đổi của dòng điện (Lenz), nên dấu của nó ngược với ΔI; độ lớn là L·|ΔI|/Δt.
ε = L·ΔI/Δt = 0,5·2/0,02 = 50 V
Đáp số
ε = 50 V
9.Tổng trở xoay chiều và phasor
Đáp số: I = 0,08902 A
Mạch xoay chiều với phasor: điện trở, cuộn cảm và tụ điện có tổng trở lần lượt là R, jωL và 1/(jωC), với ω = 2πf. Khi nối tiếp, các tổng trở cộng như điện trở, nhưng là số phức. Dòng điện và điện áp hiệu dụng tuân theo định luật Ohm với |Z|.
Điện kháng
ω = 2πf = 2π·1000 = 6283 rad/s
XL = ωL = 6283·0,1 = 628,3 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·2,2·10⁻⁶) = 72,34 Ω
Tổng trở
Khi nối tiếp, các tổng trở cộng như số phức: Z = R + j(XL − XC).
|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(80² + (556)²) = 561,7 Ω
Dòng điện
Cùng một dòng điện chạy qua mọi phần tử của mạch nối tiếp.
I = V/|Z| = 50/561,7 = 0,08902 A
Đáp số
I = 0,08902 A
10.Tổng trở xoay chiều và phasor
Đáp số: VC = 80,27 V
Mạch xoay chiều với phasor: điện trở, cuộn cảm và tụ điện có tổng trở lần lượt là R, jωL và 1/(jωC), với ω = 2πf. Khi nối tiếp, các tổng trở cộng như điện trở, nhưng là số phức. Dòng điện và điện áp hiệu dụng tuân theo định luật Ohm với |Z|.
Điện kháng
ω = 2πf = 2π·60 = 377 rad/s
XL = ωL = 377·0,2 = 75,4 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(377·22·10⁻⁶) = 120,6 Ω
Tổng trở
Khi nối tiếp, các tổng trở cộng như số phức: Z = R + j(XL − XC).
|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(60² + (−45,17)²) = 75,1 Ω
Dòng điện
Cùng một dòng điện chạy qua mọi phần tử của mạch nối tiếp.
I = V/|Z| = 50/75,1 = 0,6657 A
Điện áp trên tụ điện
VC = I·XC = 0,6657·120,6 = 80,27 V
Đáp số
VC = 80,27 V
ExamProblems · examproblems.com/courses/physics-2-electricity-and-magnetism