库仑定律与电场
- 库仑定律
- F = k·|q1q2|/r²
- 点电荷的电场
- E = k·|q|/r²
- 常量
- k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C²
- 电荷所受的力
- F = q·E
公式表、每个专题的关键方法步骤和 10 道练习题,完整解答附在最后。
一个 +2 µC 的电荷与一个 −4 µC 的电荷相距 40 cm。点 P 位于两者连线上,距第一个电荷 20 cm。求 P 点电场强度的大小 E。
一个电子以 3 × 10⁷ m/s 的速度平行于两块平行板射入板间的匀强电场。板长 4 cm,板间电场为 5000 N/C。电子电荷量 1.602 × 10⁻¹⁹ C,质量 9.109 × 10⁻³¹ kg;忽略重力。电子离开平行板时侧向偏移多远 y?答案以 mm 表示。
求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。
求电源输出并流过 R1 的电流 IR1。
开关在 t = 0 闭合前,电感中没有电流。 求电路稳定后电感中储存的能量 W(∞),以 mJ 表示。
跨接在 R2 两端的开关已断开很长时间,所以电感电流是稳定的。在 t = 0 开关闭合,把 R2 短路。 求 t = 10 ms 时的电感电流 i。
一个 100 匝线圈的面积为 150 cm²。垂直于线圈的均匀磁场在 10 ms 内从 0.2 T 均匀增大到 0.8 T。 求平均感应电动势 ε。
一个 200 匝、20 cm × 15 cm 的线圈在 0.25 T 的均匀磁场中,以 1500 rpm 绕垂直于磁场的轴转动。求电动势的有效值 Erms。
一个串联 RLC 电路接在 100 V(有效值)、50 Hz 的电源上。 求电流有效值 I。
一个串联 RLC 电路接在 120 V(有效值)、500 Hz 的电源上。 求电容两端电压的有效值 VC。
答案: E = 1.348 × 10⁶ N/C
库仑定律:两个点电荷之间的吸引力或排斥力为 F = k·|q₁·q₂|/r²,其中 k = 8.99 × 10⁹ N·m²/C²。点电荷的电场为 E = k·|q|/r²,正电荷的电场背离电荷,负电荷的电场指向电荷。多个电荷产生的力和电场按矢量相加。
第一个电场背离正电荷,第二个电场指向负电荷:两者方向相同。
答案: y = 0.7816 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.
电子被推向正极板,与电场方向相反。
答案: IR1 = 1.301 A
串联和并联电阻:串联时每个电阻流过相同电流,R = R₁ + R₂ + …。并联时每个电阻两端电压相同,1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …。梯形网络每次合并一对,直到只剩一个等效电阻。
从离电源最远的一端开始,逐步向电源合并。流过相同电流的电阻为串联;接在同一对节点之间的电阻为并联。
电源只看到 Req,由欧姆定律得到它输出的电流。该电流流过 R₁。
答案: IR1 = 0.6984 A
串联和并联电阻:串联时每个电阻流过相同电流,R = R₁ + R₂ + …。并联时每个电阻两端电压相同,1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + …。梯形网络每次合并一对,直到只剩一个等效电阻。
从离电源最远的一端开始,逐步向电源合并。流过相同电流的电阻为串联;接在同一对节点之间的电阻为并联。
电源只看到 Req,由欧姆定律得到它输出的电流。该电流流过 R₁。
答案: W(∞) = 1.756 mJ
一阶暂态:在只含一个电容或一个电感的电路中,每个电压和电流都从初始值按指数规律变化到终值:x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ,其中 τ = RC 或 τ = L/R。约 5τ 后电路进入稳态。
开关闭合很久后,电感相当于短路,因此终值电流只由 R 决定。
答案: i = 2.482 A
一阶暂态:在只含一个电容或一个电感的电路中,每个电压和电流都从初始值按指数规律变化到终值:x(t) = x(∞) + [x(0) − x(∞)]·e−t/τ,其中 τ = RC 或 τ = L/R。约 5τ 后电路进入稳态。
在 t = 0 之前,两个电阻都在回路中;之后闭合的开关把 R₂ 旁路。
答案: ε = 90 V
电磁感应:穿过回路的磁通量为 Φ = BA·cos θ,其中 θ 是 B 与回路法线之间的夹角。法拉第定律:磁通量的变化在 N 匝线圈中感应出电动势 emf = −N·dΦ/dt,楞次定律说明感应电流的方向使其自身的磁场阻碍这一变化。横切磁场运动的杆产生 emf = BLv。以角速度 ω 转动的线圈产生 e = NBAω·sin ωt,峰值为 NBAω。自感:emf = −L·di/dt,长螺线管的 L = μ₀N²A/l,储存的能量为 W = ½LI²。两个耦合线圈:emf₂ = −M·di₁/dt,其中 M = k√(L₁L₂)。
答案: Erms = 166.6 V
电磁感应:穿过回路的磁通量为 Φ = BA·cos θ,其中 θ 是 B 与回路法线之间的夹角。法拉第定律:磁通量的变化在 N 匝线圈中感应出电动势 emf = −N·dΦ/dt,楞次定律说明感应电流的方向使其自身的磁场阻碍这一变化。横切磁场运动的杆产生 emf = BLv。以角速度 ω 转动的线圈产生 e = NBAω·sin ωt,峰值为 NBAω。自感:emf = −L·di/dt,长螺线管的 L = μ₀N²A/l,储存的能量为 W = ½LI²。两个耦合线圈:emf₂ = −M·di₁/dt,其中 M = k√(L₁L₂)。
答案: I = 0.3626 A
相量法分析交流电路:电阻、电感和电容的阻抗分别为 R、jωL 和 1/(jωC),其中 ω = 2πf。串联时阻抗像电阻一样相加,但按复数计算。电流和电压的有效值满足以 |Z| 表示的欧姆定律。
串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。
串联电路中每个元件流过相同电流。
答案: VC = 247.7 V
相量法分析交流电路:电阻、电感和电容的阻抗分别为 R、jωL 和 1/(jωC),其中 ω = 2πf。串联时阻抗像电阻一样相加,但按复数计算。电流和电压的有效值满足以 |Z| 表示的欧姆定律。
串联时阻抗按复数相加:Z = R + j(XL − XC)。
串联电路中每个元件流过相同电流。
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