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
Một điện tích +10 µC và một điện tích +8 µC cách nhau 50 cm. Điểm P nằm trên đường nối giữa chúng, cách điện tích thứ nhất 20 cm. Tìm độ lớn của điện trường E tại P.
q1 = +10 µCq2 = +8 µCr1 = 20 cmr2 = 30 cm
E = N/C
2.Định luật Coulomb và điện trườngKhó
Một electron đi vào điện trường đều giữa hai bản song song, chuyển động song song với chúng với tốc độ 3,5 × 10⁷ m/s. Các bản dài 10 cm và điện trường giữa chúng là 500 N/C. Điện tích electron 1,602 × 10⁻¹⁹ C, khối lượng 9,109 × 10⁻³¹ kg; bỏ qua trọng lực. Nó bị lệch sang bên bao xa y khi rời khỏi các bản? Cho đáp án theo mm.
v₀ = 3,5 × 10⁷ m/sL = 10 cmE = 500 N/Ce = 1,602 × 10⁻¹⁹ Cme = 9,109 × 10⁻³¹ kg
y = mm
3.Điện trở nối tiếp và song songTrung bình
Tìm điện trở tương đương Req mà nguồn V1 nhìn thấy.
V1 = 6 VR1 = 5 ΩR2 = 15 ΩR3 = 12 ΩR4 = 4 Ω
Req = Ω
4.Điện trở nối tiếp và song songKhó
Tìm điện trở tương đương Req mà nguồn V1 nhìn thấy.
V1 = 24 VR1 = 2 ΩR2 = 5 ΩR3 = 8 ΩR4 = 10 ΩR5 = 2 ΩR6 = 25 Ω
Req = Ω
5.Quá độ RC và RLTrung bình
Cuộn cảm không có dòng điện trước khi khóa đóng tại t = 0. Sau khi khóa đóng bao lâu thì dòng điện đạt 80% giá trị cuối? Tìm t.
Vs = 5 VR = 68 ΩL = 150 mH
t = ms
6.Quá độ RC và RLKhó
Một mạch định thời bắt đầu nạp một tụ điện chưa tích điện qua một điện trở từ nguồn 9 V tại t = 0. Nó phải kích hoạt khi điện áp tụ điện đạt 5,69 V, đúng 250 ms sau khi bắt đầu. Với R = 22 kΩ, tìm điện dung C cần thiết.
Vs = 9 VVth = 5,69 VT = 250 msR = 22 kΩ
C = µF
7.Từ trường & cảm ứng điện từTrung bình
Một hạt alpha chuyển động trên một đường tròn trong một từ trường đều 0,4 T. Hãy tìm thời gian T để nó quay một vòng.
m = 6,645 × 10⁻²⁷ kg|q| = 3,204 × 10⁻¹⁹ CB = 0,4 T
T = ns
8.Từ trường & cảm ứng điện từKhó
Hai cuộn dây có độ tự cảm 20 mH và 5 mH có hệ số ghép 0,5. Dòng điện trong cuộn thứ nhất thay đổi với tốc độ 500 A/s. Hãy tìm suất điện động ε cảm ứng trong cuộn thứ hai.
L1 = 20 mHL2 = 5 mHk = 0,5di/dt = 500 A/s
ε = V
9.Tổng trở xoay chiều và phasorTrung bình
Một điện trở và một tụ điện được mắc song song qua nguồn 120 V (hiệu dụng), 500 Hz. Tìm dòng điện hiệu dụng I.
V = 120 V (rms)f = 500 HzR = 10 ΩC = 10 µF
I = A
10.Tổng trở xoay chiều và phasorKhó
Một mạch RLC nối tiếp được kích bởi nguồn 12 V (hiệu dụng) có tần số đặt bằng tần số cộng hưởng của mạch. Tìm điện áp hiệu dụng VL trên cuộn cảm.
V = 12 V (rms)R = 15 ΩL = 100 mHC = 1 µF
VL = V
3Dung dịch
1.Định luật Coulomb và điện trường
Đáp số: E = 1,448 × 10⁶ N/C
Định luật Coulomb: hai điện tích điểm hút hoặc đẩy nhau với F = k·|q₁·q₂|/r², với k = 8,99 × 10⁹ N·m²/C². Điện trường của một điện tích điểm là E = k·|q|/r², hướng ra xa điện tích dương và hướng vào điện tích âm. Lực và trường từ nhiều điện tích cộng như vectơ.
Điện trường của từng điện tích
E1 = k·10 × 10⁻⁶/0,2² = 2,247 × 10⁶ N/C
E2 = k·8 × 10⁻⁶/0,3² = 799111 N/C
Hướng và tổng
Cả hai điện tích đều dương: tại P các điện trường của chúng hướng ra xa mỗi điện tích, nên ngược chiều nhau.
E = |2,247 × 10⁶ − 799111| = 1,448 × 10⁶ N/C
Đáp số
E = 1,448 × 10⁶ N/C
2.Định luật Coulomb và điện trường
Đáp số: y = 0,3589 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.
Thời gian giữa các bản
t = L/v₀ = 0,1/3,5 × 10⁷ = 2,857 × 10⁻⁹ s
Gia tốc theo phương ngang
a = e·E/m = 1,602 × 10⁻¹⁹·500/9,109 × 10⁻³¹ = 8,794 × 10¹³ m/s²
Độ võng
y = ½·a·t² = ½·8,794 × 10¹³·(2,857 × 10⁻⁹)² = 0,0003589 m = 0,3589 mm
Đáp số
y = 0,3589 mm
Electron bị đẩy về phía bản dương, ngược với chiều điện trường.
3.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: Req = 12,74 Ω
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 + 4 = 16 Ω
R2 ∥ 16 = 15·16/(15+16) = 7,742 Ω
Req = R1 + 7,742 = 5 + 7,742 = 12,74 Ω
Đáp số
Req = 12,74 Ω
4.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: Req = 5,768 Ω
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 = 2 + 25 = 27 Ω
R4 ∥ 27 = 7,297 Ω
R3 + 7,297 = 15,3 Ω
R2 ∥ 15,3 = 3,768 Ω
Req = R1 + 3,768 = 2 + 3,768 = 5,768 Ω
Đáp số
Req = 5,768 Ω
5.Quá độ RC và RL
Đáp số: t = 3,55 ms
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 = 150 mH / 68 Ω = 2,206 ms
i(∞) = Vs/R = 5/68 = 0,07353 A
Giải tìm thời gian
0,8 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,8)
t = −2,206·ln(0,2) = 3,55 ms
Đáp số
t = 3,55 ms
6.Quá độ RC và RL
Đáp số: C = 11,36 µF
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 cần thiết
5,69 = 9·(1 − e−250/τ) → τ = 250/ln(9/(9 − 5,69))
τ = 250/1 = 249,9 ms
Điện dung
kΩ nhân µF cho ra mili giây.
C = τ/R = 249,9/22 = 11,36 µF
Đáp số
C = 11,36 µF
7.Từ trường & cảm ứng điện từ
Đáp số: T = 325,8 ns
Lực từ: một dây thẳng mang dòng I trong từ trường B chịu lực F = BIL·sin θ, và một điện tích chuyển động chịu lực F = |q|vB·sin θ, trong đó θ là góc giữa dòng điện (hoặc vận tốc) và B. Lực vuông góc với cả hai: đặt các ngón tay phải theo I hoặc v, khum chúng về phía B, và ngón cái cho chiều F đối với điện tích dương; đảo ngược lại với điện tích âm. Vì F vuông góc với v, một điện tích chuyển động ngang qua từ trường đều chuyển động trên một đường tròn: |q|vB = mv²/r cho r = mv/(|q|B) và chu kỳ T = 2πm/(|q|B), không phụ thuộc vào tốc độ. Hai dây song song hút nhau khi dòng điện cùng chiều: F/L = μ₀I₁I₂/(2πd).
Chu kỳ của chuyển động tròn
Một hạt nhanh hơn chuyển động trên đường tròn lớn hơn, nên thời gian mỗi vòng không đổi.
T = 2πm/(|q|B) = 2π·6,645 × 10⁻²⁷/(3,204 × 10⁻¹⁹·0,4) = 325,8 ns
Đáp số
T = 325,8 ns
Không cần tốc độ: đó là lý do một máy gia tốc cyclotron có thể dùng một tần số cố định.
8.Từ trường & cảm ứng điện từ
Đáp số: ε = 2,5 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).
Hỗ cảm
M = 0,5·√(20·5) = 5 mH
Suất điện động cảm ứng
ε = M·di/dt = 0,005·500 = 2,5 V
Đáp số
ε = 2,5 V
9.Tổng trở xoay chiều và phasor
Đáp số: I = 12,58 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
XC = 1/(ωC) = 1/(2π·500·10·10⁻⁶) = 31,83 Ω
Các dòng điện nhánh
Cả hai nhánh được nối thẳng qua nguồn, nên mỗi nhánh chịu toàn bộ điện áp V.
IR = V/R = 120/10 = 12 A
IX = V/XC = 120/31,83 = 3,77 A
Tổng dòng điện
Dòng điện qua điện trở cùng pha với V và dòng điện kháng lệch pha 90°, nên chúng cộng lại như các cạnh của một tam giác vuông.
I = √(IR² + IX²) = √(12² + 3,77²) = 12,58 A
Đáp số
I = 12,58 A
10.Tổng trở xoay chiều và phasor
Đáp số: VL = 253 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|.
Cộng hưởng
Tại cộng hưởng các điện kháng triệt tiêu, nên trở kháng chỉ là R.
ω₀ = 1/√(LC) = 1/√(0,1·1·10⁻⁶) = 3162 rad/s
I = V/R = 12/15 = 0,8 A
Điện áp trên cuộn cảm
XL = ω₀L = 3162·0,1 = 316,2 Ω
VL = I·XL = 0,8·316,2 = 253 V
Đáp số
VL = 253 V
Đây là Q = 21,08 lần điện áp nguồn.
ExamProblems · examproblems.com/courses/physics-2-electricity-and-magnetism