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 +5 µC và một điện tích −10 µC cách nhau 30 cm. Điểm P nằm trên đường nối giữa chúng, cách điện tích thứ nhất 15 cm. Tìm độ lớn của điện trường E tại P.
q1 = +5 µCq2 = −10 µCr1 = 15 cmr2 = 15 cm
E = N/C
2.Định luật Coulomb và điện trườngKhó
Hai quả cầu nhỏ giống hệt nhau, mỗi quả có khối lượng 10 g, treo từ cùng một điểm bằng các sợi dây cách điện dài 40 cm. Chúng được tích điện bằng nhau và mỗi sợi dây nằm lệch 20° 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 = 10 gL = 40 cmθ = 20°g = 9,81 m/s²
q = nC
3.Điện trở nối tiếp và song songTrung bình
Tìm điện trở tương đương Req mà nguồn V1 nhìn thấy.
V1 = 30 VR1 = 10 ΩR2 = 2 ΩR3 = 8 ΩR4 = 2 Ω
Req = Ω
4.Điện trở nối tiếp và song songKhó
Tìm điện trở tương đương Req mà nguồn V1 nhìn thấy.
V1 = 15 VR1 = 6 ΩR2 = 2 ΩR3 = 12 ΩR4 = 30 ΩR5 = 3 ΩR6 = 5 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 50% giá trị cuối? Tìm t.
Vs = 24 VR = 20 ΩL = 10 mH
t = ms
6.Quá độ RC và RLKhó
Công tắc mắc song song với R2 đã đóng trong một thời gian dài, nên dòng điện cuộn cảm ổn định. Tại t = 0 công tắc mở. Tìm dòng điện cuộn cảm i tại t = 2 ms.
Vs = 15 VR1 = 15 ΩR2 = 15 ΩL = 47 mHt = 2 ms
i = A
7.Từ trường & cảm ứng điện từTrung bình
Một dây mang dòng điện xuống phía dưới trang đi qua một từ trường đều hướng ra khỏi trang giấy. Hãy nhấp vào chiều của lực từ lên dây.
I: xuống phía dưới trangB: ra khỏi trang giấy
- 1lên phía trên trang
- 2sang phải
- 3xuống phía dưới trang
- 4sang trái
8.Từ trường & cảm ứng điện từKhó
Dòng điện trong một cuộn cảm 5 mH thay đổi đều từ 2 A đến 7 A trong 1 ms. Hãy tìm độ lớn của suất điện động tự cảm ε.
L = 5 mH2 A → 7 AΔt = 1 ms
ε = V
9.Tổng trở xoay chiều và phasorTrung bình
Một mạch RLC nối tiếp được nối với nguồn 120 V (hiệu dụng), 50 Hz. Tìm hệ số công suất cos φ của mạch.
V = 120 V (rms)f = 50 HzR = 20 ΩL = 100 mHC = 47 µF
cos φ =
10.Tổng trở xoay chiều và phasorKhó
Một mạch RLC nối tiếp được nối với nguồn 120 V (hiệu dụng), 1000 Hz. Tìm dòng điện hiệu dụng I.
V = 120 V (rms)f = 1000 HzR = 25 ΩL = 20 mHC = 1 µF
I = A
3Dung dịch
1.Định luật Coulomb và điện trường
Đáp số: E = 5,993 × 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·5 × 10⁻⁶/0,15² = 1,998 × 10⁶ N/C
E2 = k·10 × 10⁻⁶/0,15² = 3,996 × 10⁶ N/C
Hướng và tổng
Điện trường thứ nhất hướng ra xa điện tích dương và điện trường thứ hai hướng vào điện tích âm: cả hai cùng chiều.
E = |1,998 × 10⁶ + 3,996 × 10⁶| = 5,993 × 10⁶ N/C
Đáp số
E = 5,993 × 10⁶ N/C
2.Định luật Coulomb và điện trường
Đáp số: q = 545,3 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 = 0,01·9,81·tan 20° = 0,03571 N
Khoảng cách
r = 2·L·sin θ = 2·0,4·sin 20° = 0,2736 m
Điện tích
F = k·q²/r² → q = r·√(F/k) = 0,2736·√(0,03571/8,99 × 10⁹) = 5,453 × 10⁻⁷ C = 545,3 nC
Đáp số
q = 545,3 nC
3.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: Req = 11,67 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 = 8 + 2 = 10 Ω
R2 ∥ 10 = 2·10/(2+10) = 1,667 Ω
Req = R1 + 1,667 = 10 + 1,667 = 11,67 Ω
Đáp số
Req = 11,67 Ω
4.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: Req = 7,803 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 = 3 + 5 = 8 Ω
R4 ∥ 8 = 6,316 Ω
R3 + 6,316 = 18,32 Ω
R2 ∥ 18,32 = 1,803 Ω
Req = R1 + 1,803 = 6 + 1,803 = 7,803 Ω
Đáp số
Req = 7,803 Ω
5.Quá độ RC và RL
Đáp số: t = 0,3466 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 = 10 mH / 20 Ω = 0,5 ms
i(∞) = Vs/R = 24/20 = 1,2 A
Giải tìm thời gian
0,5 = 1 − e−t/τ → t = −τ·ln(1 − 0,5)
t = −0,5·ln(0,5) = 0,3466 ms
Đáp số
t = 0,3466 ms
6.Quá độ RC và RL
Đáp số: i = 0,6395 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.
Giá trị đầu, giá trị cuối, hằng số thời gian
Trước t = 0, công tắc đóng nối tắt R₂; sau đó R₁ và R₂ đều ở trong vòng.
i(0) = 15/15 = 1 A
i(∞) = 15/(15 + 15) = 0,5 A
τ = L/R = 47/30 = 1,567 ms
i(t) = 0,5 + (1 − 0,5)·e−t/τ
Dòng điện tại thời điểm đã cho
i(2) = 0,5 + (0,5)·e−2/1,567 = 0,6395 A
Đáp số
i = 0,6395 A
7.Từ trường & cảm ứng điện từ
Đáp số: sang trái
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).
Quy tắc bàn tay phải
Đặt các ngón tay theo chiều dòng điện hoặc vận tốc và khum chúng về phía B; ngón cái cho chiều của lực lên một điện tích dương.
I: xuống phía dưới trang, B: ra khỏi trang giấy
Chiều của lực
sang trái
Đáp số
F: sang trái
8.Từ trường & cảm ứng điện từ
Đáp số: ε = 25 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 = 0,005·5/0,001 = 25 V
Đáp số
ε = 25 V
9.Tổng trở xoay chiều và phasor
Đáp số: cos φ = 0,4825
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
XL = 31,42 Ω, XC = 67,73 Ω
Tổng trở
|Z| = √(20² + (−36,31)²) = 41,45 Ω
Hệ số công suất
cos φ = R/|Z| = 20/41,45 = 0,4825
Mạch có tính dung kháng, nên hệ số công suất sớm pha.
Đáp số
cos φ = 0,4825
10.Tổng trở xoay chiều và phasor
Đáp số: I = 2,871 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 = 6283·0,02 = 125,7 Ω
XC = 1/(ωC) = 1/(6283·1·10⁻⁶) = 159,2 Ω
Tổng trở
Khi nối tiếp, các tổng trở cộng như số phức: Z = R + j(XL − XC).
|Z| = √(R² + (XL − XC)²) = √(25² + (−33,49)²) = 41,79 Ω
Dòng điện
Cùng một dòng điện chạy qua mọi phần tử của mạch nối tiếp.
I = V/|Z| = 120/41,79 = 2,871 A
Đáp số
I = 2,871 A
ExamProblems · examproblems.com/courses/physics-2-electricity-and-magnetism