На графике даны изменяющиеся со временем значения тока в некотором колебательном контуре. Чему равна энергия конденсатора в данном колебательном контуре в момент времени 210 мкс, если его ёмкость равна 2,15 мкФ? Ответ дайте в мкДж.
Решение и ответ:
Ответ: ≈6,93 в виде формулы:6.9282482851992
График показывает изменение тока через колебательный контур. Этот ток течёт по проводам, протекает через конденсатор и через катушку индуктивности. В силу их последовательного подключения, можно считать что это один и тот же по значению электрической ток. По графику видно, что ток начинается из нулевого значения, а так как изменение напряжения и тока в колебательном контуре является гармоническим колебанием, то можно этот ток представить как: I = I0sin(ωt). В этой формуле угловая частота ω =
2π
T
, таким образом ток в контуре можно описать как: I = I0sin(
2π
T
×t) или I = I0sin(α), где α =
2π
T
×t. Выберем по графику две произвольных отметки, соответствующие периоду колебаний: например t1 = 90 мкс и t2 = 450 мкс (можно и другие), откуда найдём период колебаний: T = 450 мкс - 90 мкс = 360 мкс. Тогда, подставив значения периода и заданного в задаче времени t, получим α =
2π
3,6×10-4
×2,1×10-4 =
7π
6
. Согласно закону сохранения энергии, энергия в колебательном контуре перетекает из электрического поля в магнитное и наоборот: WC + WL = const. Откуда следует, что для двух произвольных моментов времени t1 и t2 можно утверждать, что: WC1 + WL1 = WC2 + WL2. Выберем первое состояние так, чтобы I1 = I0 = max, тогда в конденсаторе энергии нет (WС1 = 0). Таким образом: WL1 = WC2 + WL2, откуда: WC2 = WL1 - WL2. Энергия катушки индуктивности может быть вычислена так: WL =
LI2
2
(напоминаем, что ток через контур и катушку индуктивности одинаковый). Подставим её в формулу закона сохранения энергии получаем: WС2 =
LI02
2
-
L(I0sin(α))2
2
=
LI02
2
×(1 - sin2α) =
LI02
2
×cos2α. Используем формулу Томсона: период колебаний контура T = 2π