В учебной статье
"Электроёмкость. Конденсаторы" (Ссылка1) находим формулу ёмкости плоского конденсатора:
C = [$949$]
0·S / d . В большинстве задач с RC-цепями ёмкость неизменна, меняются напряжение на конденсаторе и соответственно заряд q / C·U на его обкладках. Связь этих изменений хорошо описана в статье
"Переходные процессы в линейных электрических цепях. Классический метод анализа"Все расчёты переходных процессов в RC-цепях основаны на 2м законе коммутации "
Напряжение на конденсаторе не может изменяться мгновенно". Этот закон - отправная точка для "нормальных" задач с неизменной ёмкостью. В Вашей НЕтипичной задаче (шиворот-навыворот) получается наоборот: Ёмкость конденсатора менятся изза изменения расстояния между пластинами, и изза этого напряжение м-ду обкладками конденсатора изменяется сразу в начале переходного процесса. Именно это НЕтипичное напряжение "толкает" ток ч-з R. Другого источника у нас тут нет, тк Источник ЭДС E отработал сразу после замыкания ключа К , и в стационарном режиме конденсатор больше не пропускает постоянный ток.
Расшифруем доп-Условие 2·[$960$] / [$969$] << [$964$] : в нём 2·[$960$] / [$969$] = T - это период колебаний, а [$964$] = R·C - постоянная времени RC-цепи.
И тогда условие T << [$964$] надо толковать так, что в задаче надо рассматривать столь большие значения используемых R·C , которые соответствуют самому началу переходного процесса, и что этот процесс не доходит даже до середины, и начинается новый полу-период колебания. То есть : Конденсатор НЕ успевает сколь-нибудь заметно изменить свой заряд в течение полу-периода колебания.
Считаем: Ёмкость плоского конденсатора в воздухе C = [$949$]
0·S / d , где S - площадь каждой пластины, d - расстояние м-ду ними,
[$949$]
0 = 8,854·10
-12 Ф/м - электрическая постоянная.
Средний за период заряд конденсатора равен q
0 = C·U = [$949$]
0·S·E / d - это заряд в некоторый момент времени t = 0 , но в стационарном режиме, то есть когда закон расстояния
d(t) = d
0·[1 + A·sin([$969$]·t)] находится в нулевой синус-фазе sin(0) = 0 .
МиниЗаряд конденсатора q
m = [$949$]
0·S·E / {d
0·[1 + A·sin([$969$]·t)]] = [$949$]
0·S·E / [d
0·(1 + A)] в момент t = T/4 , в макси-синус-фазе sin(T/4) = 1 .
Разность зарядов [$916$]q = q
0 - q
m = [$949$]
0·S·E / d - [$949$]
0·S·E / [d
0·(1 + A)] = ([$949$]
0·S·E / d)·[(1 + A) - 1] = [$949$]
0·S·E·A / d = C·E·A
Амплитуда переменного напряжения на обкладках конденсатора U
m = [$916$]q / C = C·E·A / C = E·A
Поскольку задано "
Внутренним сопротивлением батареи пренебречь", а ключ K работает как перемычка в стационарном режиме, значит, всё это переменное напряжение приложено к резистору R .
Форма этого напряжения почти синусоидальна при А << 1 , но синусоида заметно искажается при A > 0,01.
Синусоидальное напряжение с амплитудой U
m выделяет в резисторе R мощность
P = U
m2 / (2·R) = (E·A)
2 / (2·R) . Получилось почти как в желаемом Вами Ответе. Только Вы потеряли множитель 2 в знаменателе. Удивляет НЕзависимость результата от абсолютного значения ёмкости конденсатора (в тч его габаритов), и при этом сильная (квадратичная!) зависимость от относительного изменения "A" ёмкости в течение одного колебания.
О том, что значение достаточно большой ёмкости конденсатора не влияет на работу электро-схемы знают все инж-электроники и радио-любители: Яркий пример : Переходный конденсатор м-ду каскадами усилителя звуковой частоты. Можно увеличить эту ёмкость например в 10 раз, и от этого увеличится 10-кратно лишь милли-секундная длительность переходного процесса - будет чуть громче щелчок в момент включения усилителя.
Фокус Вашей задачи состоит в наличии 2х переходных процессов. Первый процесс происходит сразу после замыкания ключа и быстро заканчивается. Второй процесс начинается в результате изменения расстояния между пластинами конденсатора, и этот процесс - нескочаемый, потому что по Условию T << [$964$] .
Я был столь удивлён неожиданным результатом, что сделал проверку в популярном приложении
Маткад (ссылка3), где я задал максимально-реальные значения для получения макси-заметной мощности. Маткад выдал большую погрешность нестыковки с выше-полученной теоретической формулой получения амплитуды напряжения при A > 0,01 изза искажения синусоиды и смещения её постоянной составляющей
Um = (q
0 - q
m) / C
0 . Уменьшить погрешность на порядок удалось вычислением амплитуды как половины размаха переменного напряжения:
Um = (q
m - q
i) / (2·C
0) . Маткад-скриншот с эл-схемой прилагаю . Я добавил в скрин подробные комментарии зелёным цветом.