Задачи для самостоятельной подготовки "УчУ"




Задача № 14340
t, мксI, А3090150210270330-0,140,14

На графике даны изменяющиеся со временем значения тока в некотором колебательном контуре. Чему равна энергия конденсатора в данном колебательном контуре в момент времени 75 мкс, если его ёмкость равна 0,305 мкФ? Ответ дайте в мкДж.


Решение и ответ:
Ответ: ≈5,86
в виде формулы:5.8600186211503

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 =
T
, таким образом ток в контуре можно описать как: I = I0sin(
T
×t)
или I = I0sin(α), где α =
T
×t
.
Выберем по графику две произвольных отметки, соответствующие периоду колебаний: например t1 = 30 мкс и t2 = 150 мкс (можно и другие), откуда найдём период колебаний: T = 150 мкс - 30 мкс = 120 мкс. Тогда, подставив значения периода и заданного в задаче времени t, получим α =
1,2×10-4
×7,5×10-5
=
4
.
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
LC
.
Выразим отсюда индуктивность L: T2 = 4π2LC, откуда: L =
T2
2C

Подставим формулу индуктивности в формулу энергии конденсатора, получаем: WC2 =
T2I02
2×4π2C
×cos2α
=
T2I02cos2α
2C
.
По графику определим амплитудное (максимальное) значение тока: I0 = 0,14 А.
Выразим в СИ и подставим известные значения в формулу энергии: WC2 =
(1,2×10-4)2×0,142×cos2
4
2×3,05×10-7
5,86×10-6 Дж = 5,86 мкДж, что и является ответом.


Похожие задачи: 14339, 11799.

Нашли ошибку? Сообщите нам!
Не хватает табличных данных? Посмотрите в справочнике!

Тема: Электродинамика (магнетизм).