Батарея конденсаторов с вертикально расположенными пластинами и с емкостями...

0 голосов
99 просмотров

Батарея конденсаторов с вертикально расположенными
пластинами и с емкостями соответственно 5, 8 и 1 мкФ, изображенная на
рисунке 15.4, была заряжена от источника с напряжением 250 В, который
подключался к точкам А и В. а) Какую энергию получила батарея? б)
Каким станет напряжение на батарее, если после отключения ее от
источника второй конденсатор вертикально на половину погрузить в
трансформаторное масло с диэлектрической проницаемостью 2? Ответ:
127,5 мДж, 227 В.

image
Физика (220 баллов) | 99 просмотров
Дан 1 ответ
0 голосов
Правильный ответ

А) Проводник между    C_1    и    C_2    – изолированный, так что:

Q_1 = Q_2 = Q \ ;

U_1 = \frac{ Q }{ C_1 } \ ;

U_2 = \frac{ Q }{ C_2 } \ ;

Складываем:

U = Q ( \frac{1}{ C_1 } + \frac{1}{ C_2 } ) \ ;

Ёмкость на нижней ветке:

C = \frac{Q}{U} = \frac{1}{ 1/C_1 + 1/C_2 } \ ;

Энергия, аккумулированная на нижней ветке:

W_{12} = \frac{ C U^2 }{2} \ ;

На верхней:

W_3 = \frac{ C_3 U^2 }{2} \ ;

Во всей цепи:

W = W_{12} + W_3 = \frac{ C U^2 }{2} + \frac{ C_3 U^2 }{2} = ( C_{12} + C_3 ) \frac{ U^2 }{2} \ ;

W = ( \frac{1}{ 1/C_1 + 1/C_2 } + C_3 ) \frac{ U^2 }{2} \approx

\approx ( \frac{1}{ 1 \ 000 \ 000 \ / \ 5 \ + \ 1 \ 000 \ 000 \ / \ 8 } + 1 \ / \ 1 \ 000 \ 000 ) \frac{ 250^2 }{2} \approx 127.5    мДж ;




б) Верхняя половина второго конденсатора имеет половину его полной ёмкости. Нижняя половина второго конденсатора имеет половину ёмкости исходного, умноженную на диэлектрическую проницаемость. Итого обновлённая ёмкость второго конденсатора будет:

image C_2 \ ; " alt=" C_2' = \frac{C_2}{2} + \frac{C_2}{2} \varepsilon = \frac{ 1 + \varepsilon }{2} C_2 > C_2 \ ; " align="absmiddle" class="latex-formula">

Короче говоря, ёмкость второго конденсатора увеличится, он наэлектризует, поляризует и втянет в себя масло, совершив работу. Так что второй конденсатор начнёт втягивать в себя и заряд    \Delta Q    по правому концу нижней ветки. Противоположный заряд перетечёт и по изолированному проводнику нижней ветки от первого ко второму конденсатору. И такой же заряд    \Delta Q    перетечёт и по левой стороне цепи между третьим и первым конденсатором. Из-за этого изменятся и напряжения на конденсаторах, а напряжения верхней и нижней ветки, в конечном счете, должны быть одинаковыми.

Из-за увеличения ёмкости второго конденсатора, увеличится и ёмкость всей нижней ветки. Обновлённая ёмкость нижней ветки будет:

C' = \frac{1}{ 1/C_1 + 1/C_2' } = 1 / ( \frac{1}{C_1} + \frac{2}{ C_2 ( 1 + \varepsilon ) } ) \ ;

Однако суммарный заряд на точках исходного подключения останется прежним, именно он будет определять конечное напряжение. Заряд до погружения в масло можно посчитать, как:

Q = (C_3+C)U \ ;

Заряд после погружения в масло можно посчитать, как:

Q = (C_3+C')U' \ ;

А поскольку заряд сохраняется, то:

(C_3+C)U = (C_3+C')U' \ ;

U' = \frac{ C_3 + C }{ C_3 + C' } U = \frac{ C_3 \ + \ 1/( \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} ) }{ C_3 \ + \ 1/( \frac{1}{C_1} + \frac{2}{C_2 ( 1 + \varepsilon ) } ) } U \ ;

U' = \frac{ C_3 \ + \ 1/( \frac{1}{C_1} + \frac{1}{C_2} ) }{ C_3 \ + \ 1/( \frac{1}{C_1} + \frac{2}{C_2 ( 1 + \varepsilon ) } ) } U \approx \frac{ 1 \ + \ 1/( \frac{1}{5} + \frac{1}{8} ) }{ 1 \ + \ 1/( \frac{1}{5} + \frac{2}{8 ( 1 + 2 ) } ) } 250 \approx \frac{901}{1001} 250 \approx 225    В .


(7.5k баллов)
Похожие задачи