Консультация № 175029
08.12.2009, 18:31
0.00 руб.
0 7 3
Уважаемые эксперты, помогите пожалуйста решить следующий ворос (нуждаюсь в срочном ответе):

Плоские конденсаторы емкостями С1=1мкФ и d=2мкФ соединены последовательно. Параллельно к ним подключены последовательно соединенные конденсаторы емкостями С3=3мкФ и С4=4мкФ. Система конденсаторов заряжена до напряжения U=100В. Как изменится энергия системы, если при отключенном источнике все конденсаторы соединить последовательно?

Обсуждение

давно
Посетитель
226425
1567
08.12.2009, 19:31
общий
это ответ
Здравствуйте, Саша Казаченко Ивановна.
Емкость первой ветки
C12=C1*C2/(C1+C2)=1*2/1+2=2/3 мкФ
Емкость второй ветки (по аналогичной формуле)
C34=3*4/3+4=12/7 мкФ
Емкость всей системы
C=C12+C34=2/3+12/7 = 50/21 мкФ
Энергия системы
W=C*U2/2 = 50/21 * 10-6 * 104/2 = 12*10-3 Дж
Заряд, накопленный в системе
q=C*U=2.38*10-4 Кл
При отключении источника заряд сохраняется в системе.
При последовательном соединении
C`= C12*C34/(C12+C34)=24/50 мкФ
Тогда энергия
W`=q2/2C` = 4.9*10-3 Дж
Энергия уменьшится на
(W-W`)/W = 0.59=59%

Удачи
Об авторе:
С уважением
shvetski
Неизвестный
09.12.2009, 13:25
общий
это ответ
Здравствуйте, Саша Казаченко .
В предложенном решении № 257500 от Shvetski правильно излагается ход решения подобных задач, но в конце допущена ошибка:
q^2/2C'=(2.38*10^-4)^2/2*4.8*10^-7=5.9*10^-2 Дж, что меньше начальной энергии системы конденсаторов. Ошибка предложенного решения в том, что первоначальный заряд на параллельно включенных конденсаторах перераспределится между ними при последовательном включении пропорционально их емкостям (на первом конденсаторе,например, будет только часть полного заряда). По-моему,корректный ответ такой: полная емкость последовательно включенных конденсаторов минимальна, полная энергия стремится увеличиться, но внешних источников энергии нет, поэтому она останется неизменной.
давно
Модератор
156417
2175
09.12.2009, 15:19
общий
Мне кажется, что нужно воспользоваться формулой W=CU2/2, учитывая как изменение ёмкости, так и удвоение напряжения. Про заряд говорить бесполезно - при разрядке на первых двух конденсаторах он уйдёт в минус
давно
Посетитель
226425
1567
09.12.2009, 16:34
общий
Химик CH:
А что значит "уйдет в минус"?
Совершенно нет времени, попробую раскрутить позже, может ночью, если не свалюсь...
На самом деле, как мне кажется теперь, нужно, наверно, рассчитать все напряжения и заряды на всех конденсаторах в первоначальной цепи, а затем рассчитать все напряжения и заряды в последовательной цепи и посмотреть, что получится... Заряды на всех конденсаторах в последовательной цепи должны быть одинаковы... а что там потом - напряжения... блин, педсоветы высасывают все мозги
Об авторе:
С уважением
shvetski
Неизвестный
09.12.2009, 17:15
общий
Химик CH:
Подкреплю свои качественные соображения, приведенные в ответе небольшим расчетом. При этом необходимо сделать дополнительные предположения. Считаем, что часть цепи с1-с2 вставляется между конденсаторами с3 и с4, а начальный заряд на внешних пластинах конденсаторов с3 и с4 сохраняется. Он пропорционален емкости ветви и равен: q'=(3+4)/(1+2+3+4)*q=0,7q, где q=u*c=2.38*10^-4 Кл - начальный заряд системы. Новое напряжение будет равно: u'=0.7q/c'=347 В, а требуемая энергия (0.7q)^2/2с'=2.4*10^-2 Дж значительно превосходит начальную. Возможны другие способы подключения, в которых новый заряд (и искомая энергия) будет меньше по величине (а то и равен нулю), но для их рассмотрения необходимо уточнить условия задачи.
давно
Модератор
156417
2175
09.12.2009, 22:21
общий
это ответ
Здравствуйте, Саша Казаченко .
Я решил так:
пары конденсаторов 1-2 и 3-4 сразу заменим эквивалентными конденсаторами (всё равно их взаимное расположение не меняется)
С12=1/(1/С1+1/С2)=2/3 мкФ
заряд на 1-2 q12=C12U=200/3 мкКл
энергия в конденсаторах 1-2 W12=q12U/2=1/300 Дж
С34=1/(1/С3+1/С4)=12/7 мкФ
заряд на 3-4 q34=C34U=1200/7 мкКл
энергия в конденсаторах 3-4 W34=q34U/2=3/175 Дж
Итого энергия W=0.0205 Дж

при соединении последовательно напряжение на полученной батарее станет 200 В
пусть данная батарея была замкнута и разрядилась (суммарное напряжение U'=0)
пусть при этом прошёл заряд q
тогда напряжение на 1-2 U'12=q12'/C12=(q12-q)/C12
тогда напряжение на 3-4 U'34=q34'/C34=(q34-q)/C34
приравниваем сумму к нулю
U'12+U'34=0
-U'12=U'34
(q-q12)/C12=(q34-q)/C34
(q-q12)*C34=(q34-q)*C12
q*C34-q12*C34=q34*C12-q*C12
q*C34+q*C12=q34*C12+q12*C34
q=(q34*C12+q12*C34)/(C34+C12)=96 мкКл
Итого энергия, которую можно извлечь из конденсаторов W'=96*200/2=9600 мкДж=0,0096 Дж=46,88%*W
Энергия уменьшится на 53,12%

Фактически, энергия электрического поля заряженных конденсаторов при переключении не меняется, но часть этой энергии теперь невозможно извлечь - увеличивается энергия разряженного состояния, так как конденсаторы 3-4 разряжаются не до конца, а 1-2 наоборот, разрядившись, заряжаются снова в обратном направлении.
давно
Модератор
156417
2175
09.12.2009, 22:26
общий
Я представил свой вариант решения. Нюанс в том, что батарея конденсаторов в данном случае не может отдать всю энергию из-за неравных начальных зарядов.
Форма ответа