В схеме, изображённой на рисунке, участвуют три одинаковых конденсатора ёмкостью C, два ключа и два источника ЭДС величиной и (параметр ). Первоначально конденсаторы не заряжены, ключи разомкнуты. Найдите заряд каждого конденсатора, если оба ключа замкнуть.
Пронумеруем конденсаторы слева направо. Соответственно, обозначим их заряды q1, q2, q3, а напряжения на них U1, U2, U3. Очевидно, заряды и напряжения каждого конденсатора связаны соотношением
Знаки зарядов пластин каждого конденсатора выберем, как показано на рисунке 1: левые пластины заряжены отрицательно, правые — положительно, также как у источников и Если мы не угадали со знаком заряда пластин какого-либо конденсатора, в ответе мы просто получим отрицательное значение для этого заряда. Используем знание ЭДС источников, чтобы связать потенциалы разных точек нашей схемы. Пусть потенциал точки D равен Так как между D и Е находится источник очевидно, потенциал точки Е больше, чем на величину этой ЭДС:
С другой стороны, точки E и F подсоединены с разных сторон к пластинам второго конденсатора, значит, разность потенциалов на них в точности равна U2, поэтому
Здесь мы учли, что, по нашему предположению, левая пластина 2-го конденсатора заряжена отрицательно, а правая — положительно, то есть потенциал левой пластины меньше, чем правой.
Наконец, потенциал точки G больше, чем так как между этими точками включена ЭДС величиной
Зная потенциалы точек D, E, F, G можем выразить через них напряжение на каждом конденсаторе. Например, D и F подключены к разным пластинам первого конденсатора, то есть (здесь мы снова учитываем, что напряжение — потенциал положительно заряженной правой пластины минус потенциал отрицательно заряженной левой):
Аналогично, напряжение третьего конденсатора — разность потенциалов точек G и E:
Итак, напряжения всех конденсаторов можно выразить через единственную неизвестную величину — в нашем случае U2, значения этих напряжений мы подписали на рис. 2.
Теперь заметим, что участок схемы, выделенный на рис. 2 зелёным, должен иметь нулевой суммарный заряд, ведь, во-первых, изначально система была не заряжена, а во-вторых, эта часть схемы оставалась изолированной от остальных элементов. Источник с ЭДС мог только «переносить» заряды через себя, но не порождать их. Значит, с учетом того, что заряд на правой пластине первого конденсатора обозначен у нас заряд на левой пластине второго конденсатора обозначен а заряд на правой пластине третьего конденсатора имеем:
Здесь мы использовали соотношения (1−3). Подставляя сюда и выразим Теперь мы можем выразить напряжения всех конденсаторов, а значит, и их заряд:
Заметим, что записывая связь между потенциалами разных точек схемы, можно было стартовать с любой точки (не обязательно D) и выражать все потенциалы не через U2, а через U1 или U3, пользуясь аналогичными рассуждениями. Вместо изолированности участка схемы, выделенного зелёным, можно было наоборот, использовать условие изолированности части схемы, оставленной чёрной на рисунке 2.
Ответ: Если нумеровать конденсаторы слева направо, считая заряд положительным, когда левая
пластина заряжена отрицательно, а правая положительно, то