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 +3 µC và một điện tích −6 µC cách nhau 50 cm. Điểm P nằm trên đường nối giữa chúng, cách điện tích thứ nhất 25 cm. Tìm độ lớn của điện trường E tại P.
q1 = +3 µCq2 = −6 µCr1 = 25 cmr2 = 25 cm
E = N/C
2.Định luật Coulomb và điện trườngKhó
Ba điện tích điểm dương nằm ở các đỉnh của một tam giác vuông: q₃ = 2 µC ở đỉnh góc vuông, q₁ = 8 µC cách nó 3 cm dọc theo một cạnh và q₂ = 10 µC cách nó 6 cm dọc theo cạnh còn lại. Tìm độ lớn của lực điện tổng hợp F lên q₃.
q1 = 8 µCq2 = 10 µCq3 = 2 µCr13 = 3 cmr23 = 6 cm
F = N
3.Điện trở nối tiếp và song songTrung bình
Tìm điện trở tương đương Req mà nguồn V1 nhìn thấy.
V1 = 10 VR1 = 4 ΩR2 = 4 ΩR3 = 10 ΩR4 = 3 Ω
Req = Ω
4.Điện trở nối tiếp và song songKhó
Tìm dòng điện IR2 qua R2.
V1 = 15 VR1 = 3 ΩR2 = 20 ΩR3 = 30 ΩR4 = 30 ΩR5 = 4 ΩR6 = 25 Ω
IR2 = A
5.Quá độ RC và RLTrung bình
Cuộn cảm không có dòng điện trước khi khóa đóng tại t = 0. Tìm năng lượng W tích trữ trong cuộn cảm tại t = 5 ms, theo mJ.
Vs = 24 VR = 20 ΩL = 47 mHt = 5 ms
W = mJ
6.Quá độ RC và RLKhó
Công tắc đã đóng trong một thời gian dài, nên mạch ở trạng thái xác lập. Tại t = 0 công tắc mở. Tìm điện áp tụ điện vC tại t = 75 ms.
Vs = 20 VR1 = 10 kΩR2 = 4,7 kΩC = 33 µFt = 75 ms
vC = V
7.Từ trường & cảm ứng điện từTrung bình
Một cuộn dây 50 vòng, diện tích 10 cm² và điện trở 25 Ω tạo thành một mạch kín. Một từ trường đều vuông góc với cuộn dây tăng đều từ 0,2 T lên 1 T trong 20 ms. Hãy tìm dòng điện cảm ứng trung bình I.
N = 50A = 10 cm²B: 0,2 T → 1 TΔt = 20 msR = 25 Ω
I = mA
8.Từ trường & cảm ứng điện từKhó
Trong một bộ chọn vận tốc, các trường chéo nhau E = 8 × 10⁴ V/m và B = 0,05 T chỉ cho các ion có một tốc độ đi thẳng qua. Hãy tìm tốc độ đó v.
E = 8 × 10⁴ V/mB1 = 0,05 T
v = m/s
9.Tổng trở xoay chiều và phasorTrung bình
Một điện trở và một cuộn cảm được mắc song song qua nguồn 50 V (hiệu dụng), 50 Hz. Tìm góc pha φ của tổng trở, theo độ (dương khi dòng điện trễ pha so với điện áp).
V = 50 V (rms)f = 50 HzR = 10 ΩL = 100 mH
φ = °
10.Tổng trở xoay chiều và phasorKhó
Một mạch RLC nối tiếp được nối với nguồn 230 V (hiệu dụng), 50 Hz. Tìm tần số cộng hưởng f0 của mạch.
V = 230 V (rms)f = 50 HzR = 15 ΩL = 20 mHC = 22 µF
f0 = Hz
3Dung dịch
1.Định luật Coulomb và điện trường
Đáp số: E = 1,295 × 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·3 × 10⁻⁶/0,25² = 431520 N/C
E2 = k·6 × 10⁻⁶/0,25² = 863040 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 = |431520 + 863040| = 1,295 × 10⁶ N/C
Đáp số
E = 1,295 × 10⁶ N/C
2.Định luật Coulomb và điện trường
Đáp số: F = 167,4 N
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.
Lực lên q₃ từ từng điện tích
F1 = k·8·2 × 10⁻¹²/0,03² = 159,8 N
F2 = k·10·2 × 10⁻¹²/0,06² = 49,94 N
Tổng vectơ
F = √(159,8² + 49,94²) = 167,4 N
Đáp số
F = 167,4 N
3.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: Req = 7,059 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 = 10 + 3 = 13 Ω
R2 ∥ 13 = 4·13/(4+13) = 3,059 Ω
Req = R1 + 3,059 = 4 + 3,059 = 7,059 Ω
Đáp số
Req = 7,059 Ω
4.Điện trở nối tiếp và song song
Đáp số: IR2 = 0,6162 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 = 4 + 25 = 29 Ω
R4 ∥ 29 = 14,75 Ω
R3 + 14,75 = 44,75 Ω
R2 ∥ 44,75 = 13,82 Ω
Req = R1 + 13,82 = 3 + 13,82 = 16,82 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 = 15/16,82 = 0,8917 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 − 0,8917·3 = 12,32 V
IR2 = VA/R2 = 12,32/20 = 0,6162 A
Đáp số
IR2 = 0,6162 A
5.Quá độ RC và RL
Đáp số: W = 26,26 mJ
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 = 47 mH / 20 Ω = 2,35 ms
i(∞) = Vs/R = 24/20 = 1,2 A
Dòng điện tại thời điểm đã cho
i(t) = 1,2·(1 − e−5/2,35) = 1,057 A
Năng lượng tích trữ
W = ½·L·i² = ½·47·1,057² = 26,26 mJ
Đáp số
W = 26,26 mJ
6.Quá độ RC và RL
Đáp số: vC = 3,943 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.
Điện áp ban đầu của tụ điện
Ở trạng thái xác lập, tụ điện là mạch hở, nên R₁ và R₂ tạo thành bộ chia áp. Điện áp tụ điện không thể nhảy khi công tắc mở.
vC(0) = 20·4,7/(10 + 4,7) = 6,395 V
Hằng số thời gian sau khi công tắc mở
τ = R2·C = 4,7·33 = 155,1 ms
Sự phóng điện
vC(t) = 6,395·e−75/155,1 = 3,943 V
Đáp số
vC = 3,943 V
7.Từ trường & cảm ứng điện từ
Đáp số: I = 80 mA
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).
Độ biến thiên từ thông mỗi vòng
ΔΦ = (1 − 0,2)·0,001 = 0,0008 Wb
Suất điện động trung bình
ε = NΔΦ/Δt = 50·0,0008/0,02 = 2 V
Dòng điện
I = ε/R = 2/25 = 0,08 A
Đáp số
I = 80 mA
8.Từ trường & cảm ứng điện từ
Đáp số: v = 1,6 × 10⁶ m/s
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).
Tốc độ được chọn
Không bị lệch: lực điện qE cân bằng với lực từ qvB.
v = E/B1 = 8 × 10⁴/0,05 = 1,6 × 10⁶ m/s
Đáp số
v = 1,6 × 10⁶ m/s
9.Tổng trở xoay chiều và phasor
Đáp số: φ = 17,66 °
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 = ωL = 2π·50·0,1 = 31,42 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 = 50/10 = 5 A
IX = V/XL = 50/31,42 = 1,592 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) = √(5² + 1,592²) = 5,247 A
Góc pha
Dòng điện cuộn cảm trễ pha so với V, nên tổng dòng điện trễ pha và góc là số dương.
φ = arctan(IX/IR) = arctan(1,592/5) = 17,66°
Đáp số
φ = 17,66°
10.Tổng trở xoay chiều và phasor
Đáp số: f0 = 239,9 Hz
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
Khi cộng hưởng, cảm kháng và dung kháng triệt tiêu nhau: ωL = 1/(ωC). Tần số nguồn không ảnh hưởng.
f0 = 1/(2π√(LC)) = 1/(2π·√(0,02·22·10⁻⁶)) = 239,9 Hz
Đáp số
f0 = 239,9 Hz
ExamProblems · examproblems.com/courses/physics-2-electricity-and-magnetism