сайты - меню - вход - но­во­сти


Задания
Версия для печати и копирования в MS Word
Тип 0 № 324
i

В схеме, изоб­ражённой на ри­сун­ке, участ­ву­ют три оди­на­ко­вых кон­ден­са­то­ра ёмко­стью C, два ключа и два ис­точ­ни­ка ЭДС ве­ли­чи­ной  эп­си­лон и  альфа эп­си­лон (па­ра­метр  альфа боль­ше 0). Пер­во­на­чаль­но кон­ден­са­то­ры не за­ря­же­ны, ключи разо­мкну­ты. Най­ди­те заряд каж­до­го кон­ден­са­то­ра, если оба ключа за­мкнуть.

Спрятать решение

Ре­ше­ние.

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

q_1=CU_1, \quad левая круг­лая скоб­ка 1 пра­вая круг­лая скоб­ка

q_2=CU_2, \quad левая круг­лая скоб­ка 2 пра­вая круг­лая скоб­ка

q_3=CU_3. \quad левая круг­лая скоб­ка 3 пра­вая круг­лая скоб­ка

Знаки за­ря­дов пла­стин каж­до­го кон­ден­са­то­ра вы­бе­рем, как по­ка­за­но на ри­сун­ке 1: левые пла­сти­ны за­ря­же­ны от­ри­ца­тель­но, пра­вые  — по­ло­жи­тель­но, также как у ис­точ­ни­ков  эп­си­лон и  альфа эп­си­лон . 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  фи _D равен  фи _0. Так как между D и Е на­хо­дит­ся ис­точ­ник  эп­си­лон , оче­вид­но, по­тен­ци­ал точки Е боль­ше, чем  фи _0 на ве­ли­чи­ну этой ЭДС:

 фи _D= фи _0,

 фи _E= фи _0 плюс эп­си­лон .

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

 фи _F= фи _E минус U_2= фи _0 плюс \EDS минус U_2.

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  фи _F, так как между этими точ­ка­ми вклю­че­на ЭДС ве­ли­чи­ной  альфа эп­си­лон :

 фи _G= фи _F плюс альфа \EDS= фи _0 плюс \EDS минус U_2 плюс альфа эп­си­лон .

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):

U_1= фи _F минус фи _D= левая круг­лая скоб­ка фи _0 плюс эп­си­лон минус U_2 пра­вая круг­лая скоб­ка минус фи _0= эп­си­лон минус U_2.

Ана­ло­гич­но, на­пря­же­ние тре­тье­го кон­ден­са­то­ра — раз­ность по­тен­ци­а­лов точек G и E:

U_3= фи _G минус фи _E= левая круг­лая скоб­ка фи _0 плюс эп­си­лон минус U_2 плюс альфа эп­си­лон пра­вая круг­лая скоб­ка минус левая круг­лая скоб­ка фи _0 плюс эп­си­лон пра­вая круг­лая скоб­ка = альфа эп­си­лон минус U_2.

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  альфа эп­си­лон мог толь­ко «пе­ре­но­сить» за­ря­ды через себя, но не по­рож­дать их. Зна­чит, с уче­том того, что заряд на пра­вой пла­сти­не пер­во­го кон­ден­са­то­ра обо­зна­чен у нас  плюс q_1, заряд на левой пла­сти­не вто­ро­го кон­ден­са­то­ра обо­зна­чен  минус q_2, а заряд на пра­вой пла­сти­не тре­тье­го кон­ден­са­то­ра  плюс q_3, имеем:

q_1 минус q_2 плюс q_3=0\Rightarrow CU_1 минус CU_2 плюс CU_3=0 \Rightarrow U_1 минус U_2 плюс U_3=0.

Здесь мы ис­поль­зо­ва­ли со­от­но­ше­ния (1−3). Под­став­ляя сюда U_1= эп­си­лон минус U_2 и U_3= альфа эп­си­лон минус U_2, вы­ра­зим U_2= дробь: чис­ли­тель: левая круг­лая скоб­ка 1 плюс альфа пра­вая круг­лая скоб­ка эп­си­лон , зна­ме­на­тель: 3 конец дроби . Те­перь мы можем вы­ра­зить на­пря­же­ния всех кон­ден­са­то­ров, а зна­чит, и их заряд:

Q_1=CU_1= дробь: чис­ли­тель: 2 минус альфа , зна­ме­на­тель: 3 конец дроби C эп­си­лон ,

Q_2=CU_2= дробь: чис­ли­тель: 1 плюс альфа , зна­ме­на­тель: 3 конец дроби C эп­си­лон ,

Q_3=CU_3= дробь: чис­ли­тель: 2 альфа минус 1, зна­ме­на­тель: 3 конец дроби C эп­си­лон .

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

Q_1= дробь: чис­ли­тель: 2 минус альфа , зна­ме­на­тель: 3 конец дроби C эп­си­лон ,\qquad Q_2= дробь: чис­ли­тель: 1 плюс альфа , зна­ме­на­тель: 3 конец дроби C эп­си­лон ,\qquad Q_3= дробь: чис­ли­тель: 2 альфа минус 1, зна­ме­на­тель: 3 конец дроби C эп­си­лон .

Классификатор: Элек­тро­ди­на­ми­ка. Элек­три­че­ские цепи с кон­ден­са­то­ра­ми