Меню

Батарея конденсаторов заряжена до напряжения

Батарея конденсаторов заряжена до напряжения

Конденсатор C1 = 1 мкФ заряжен до напряжения U = 300 В и включён в последовательную цепь из резистора R = 300 Ом, незаряженного конденсатора C2 = 2 мкФ и разомкнутого ключа К (см. рисунок). Какое количество теплоты выделится в цепи после замыкания ключа, пока ток в цепи не прекратится?

1. Первоначальный заряд конденсатора C1 равен

2. В результате перезарядки на конденсаторах устанавливаются одинаковые напряжения, так как ток в цепи прекращается и напряжение на резисторе R становится равным нулю. Поэтому конденсаторы можно считать соединёнными параллельно. Тогда их общая ёмкость

3. По закону сохранения заряда суммарный заряд конденсаторов будет равен

4. По закону сохранения энергии выделившееся в цепи количество теплоты равно разности значений энергии конденсаторов в начальном и конечном состояниях:

Критерии оценивания выполнения задания Баллы
Приведено полное решение, включающее следующие элементы:

I) записаны положения теории и физические законы, закономерности, применение которых необходимо для решения задачи выбранным способом (в данном случае формула для заряда конденсатора, закон сохранения заряда, выражение для энергии конденсатора, ёмкости параллельно соединённых конденсаторов, закон сохранения энергии);

II) описаны все вновь вводимые в решении буквенные обозначения физических величин (за исключением обозначений констант, указанных в варианте КИМ, обозначений, используемых в условии задачи, и стандартных обозначений величин, используемых при написании физических законов);

III) проведены необходимые математические преобразования и расчёты, приводящие к правильному числовому ответу (допускается решение «по частям» с промежуточными вычислениями);

IV) представлен правильный ответ с указанием единиц измерения искомой величины

3
Правильно записаны все необходимые положения теории, физические законы, закономерности, и проведены необходимые преобразования. Но имеются один или несколько из следующих недостатков.

Записи, соответствующие пункту II, представлены не в полном объёме или отсутствуют.

В решении имеются лишние записи, не входящие в решение (возможно, неверные), которые не отделены от решения (не зачёркнуты; не заключены в скобки, рамку и т. п.).

В необходимых математических преобразованиях или вычислениях допущены ошибки, и (или) в математических преобразованиях/вычислениях пропущены логически важные шаги.

Отсутствует пункт IV, или в нём допущена ошибка (в том числе в записи единиц измерения величины)

2
Представлены записи, соответствующие одному из следующих случаев.

Представлены только положения и формулы, выражающие физические законы, применение которых необходимо для решения данной задачи, без каких-либо преобразований с их использованием, направленных на решение задачи.

В решении отсутствует ОДНА из исходных формул, необходимая для решения данной задачи (или утверждение, лежащее в основе решения), но присутствуют логически верные преобразования с имеющимися формулами, направленные на решение задачи.

Источник

Зарядка и разрядка конденсатора

Пишу для школьников (для лучшего понимания ими основ физики). Материал излагаю в соответствии с признанной ныне научной трактовкой физических явлений.

Основной характеристикой конденсатора является его электрическая ёмкость С .

Под ёмкостью конденсатора понимается его способность накопить на своих обкладках и удержать на них электрический заряд.

Чем больший электрический заряд соберёт на себе конденсатор, тем больший заряд при разряде он отдаст во внешнюю электрическую цепь.

Ёмкость плоского конденсатора тем больше, чем больше площадь его пластин, чем меньше расстояние между ними и чем больше диэлектрическая проницаемость диэлектрика между его обкладками (объяснение дано в Занятии 53 ):

На практике конденсатор заряжают, присоединив его обкладки к полюсам источника постоянного напряжения.

Как происходит процесс зарядки конденсатора?

До зарядки каждая обкладка конденсатора имела одинаково е количество положительных и отрицательных зарядов, то есть не была заряжена.

Чтобы зарядить конденсатор надо, чтобы какое-то количество свободных электронов перешло с одной обкладки на другую. Поэтому обкладки и получают одинаковые по модулю, но противоположные по знаку заряды.

  • чтобы зарядить конденсатор, надо разъединит ь заряды;
  • чтобы разрядить конденсатор, надо соединить разъединённые заряды.

Проведём мысленный эксперимент.

Имеются две металлические пластинки . Каждая из них не заряжена . Это значит, что в них содержится одинаковое количество положительных и отрицательных зарядов.

Перемещаться в металле могут только свободные (оторвавшиеся от атомов валентные) электроны.

Представим, что эти пластинки привели в очень тесное соприкосновение, при котором часть свободных электронов перешла, например, с верхней пластинки на нижнюю.

Тогда на поверхности верхней пластинки появится положительный заряд (там будет недостаток электронов). Поверхность же нижней пластинки зарядится отрицательно (на ней избыток электронов).

Пластинки, имеющие противоположные знаки, притягиваются друг к другу. Чтобы их разъединить, надо совершить механическую работу против силы притяжения.

После перемещения пластинок на некоторое расстояние друг от друга (после совершения механической работы), они окажутся заряженными разноимёнными равными по модулю зарядами.

Совершив работу, мы разделили заряды и зарядили пластинки. Совершённая механическая работа перешла в энергию электрического поля, образовавшегося между пластинками, которые можно считать обкладками плоского конденсатора.

Рассуждая так, мы представили процесс зарядки конденсатора.

Теперь представим процесс разрядки конденсатора.

Чтобы разрядить конденсатор, надо соединить разъединённые заряды, то есть вернуть электроны, перешедшие с верхней пластинки на нижнюю, на верхнюю пластинку. Тогда обе пластинки опять окажутся незаряженными.

Для этого надо заряженные пластинки соединить проводом. Тогда свободные электроны с отрицательно заряженной пластинки, отталкиваясь от неё, станут перемещаться в ближайший к пластинке участок провода. В результате заряд отрицательно заряженной пластинки уменьшается.

Количество электронов в этом участке провода ( прилегающего к отрицательно заряженной пластинке) увеличится . Эти электроны передадут движение (энергию) электронам соседнего участка провода и так далее.

Одновременно с другого конца провода, соединённого с положительно заряженной пластинкой, свободные электроны переходят на пластинку , уменьшая её положительный заряд . Направленное движение электронов и здесь передаётся от участка к участку провода.

Перераспределение электронов от участка к участку в проводе (электрический ток) происходит до тех пор, пока количество положительных и отрицательных зарядов в каждой пластинке не станет одинаковым ( пока разъединённые при зарядке пластин заряды не соединятся).

Процесс разрядки конденсатора — это процесс соединения разъединённых зарядов .

Так можно представить процессы зарядки и разрядки конденсатора.

Теперь рассмотрим качественно процесс зарядки конденсатора от источника постоянного тока.

Источник

Батарея конденсаторов заряжена до напряжения

В колебательном контуре, состоящем из двух параллельно соединенных конденсаторов и подключенной к ним катушки индуктивности, происходят свободные электромагнитные колебания. В момент, когда конденсаторы разряжены, один из них отсоединяют. Как после этого изменятся следующие физические величины: запасенная в контуре энергия, частота свободных электромагнитных колебаний, амплитуда напряжения между пластинами второго конденсатора?

Для каждой величины определите соотвествующий характер изменения. Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

А) Запасенная в контуре энергия

Б) Частота свободных электромагнитных колебаний

В) Амплитуда напряжения между пластинами второго конденсатора

При отсоединении одного из параллельно соединенных одинаковых конденсаторов общая емкость колебательного контура уменьшается в два раз (при параллельном соединении емкости складываются). Частота свободных колебаний связана с емкостью контура соотношением Следовательно, уменьшение емкости контура приводит к увеличению частоты (Б — 1).

В момент отсоединения конденсатора вся энергия запасена в катушке индуктивности, конденсаторы разряжены. Следовательно, отсоединенный конденсатора не уносит с собой никакой энергии. А потому, изменение емкости контура не приводит к изменению запасенной в контуре энергии (А — 3).

Энергия электрического поля, запасенная в конденсаторе, связана с напряжением на нем соотношением Поскольку энергия колебаний не изменяется, максимальное значение энергии электрического поля в контуре сохраняется. Следовательно, уменьшение емкости контура приводит к увеличению напряжения на втором конденсаторе (В — 1):

в задаче написано что конденсаторы разряжены , то есть нет колебаний

Конденсаторы не разряжены всё время, идут колебания.

Почему у вас в задаче энергия в первом случае в два раза меньше, чем энергия во втором случае?

Энергия одна и та же. Меняется ёмкость контура с 2C до C.

Систему, состоящую из трёх одинаковых изначально незаряженных последовательно соединённых конденсаторов, подключают к источнику постоянного напряжения. Дождавшись зарядки конденсаторов, обкладки одного из них замыкают при помощи куска проволоки. Как в результате этого изменятся суммарная электроёмкость данной системы конденсаторов и энергия, запасённая в каждом из двух других конденсаторов?

Для каждой величины определите соответствующий характер изменения:

Запишите в таблицу выбранные цифры для каждой физической величины. Цифры в ответе могут повторяться.

системы конденсаторов

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ ИХ ИЗМЕНЕНИЕ
Энергия, запасённая в каждом из двух других конденсаторов

1) В первом случае суммарная емкость последовательно соединенных конденсаторов равнялась При соединении проводником пластин одного из конденсаторов в системе останется два последовательно соединенных конденсатора, суммарная емкость которых станет равной Значит, суммарная емкость конденсаторов увеличилась (1).

2) В первом случае напряжение на каждом конденсаторе равно а энергия двух заряженных конденсаторов равна Во втором случае на каждом конденсаторе напряжение станет равным а их общая энергия Таким образом, энергия увеличится (1).

В цепи, схема которой изображена на рисунке, вначале замыкают ключ К налево, в положение 1. Спустя некоторое время, достаточное для зарядки конденсатора ёмкостью от идеальной батареи с напряжением ключ К замыкают направо, в положение 2, подсоединяя при этом к первому, заряженному, конденсатору второй, незаряженный, конденсатор ёмкостью

Какое количество теплоты Q выделится в резисторе R в течение всех описанных процессов? Первый конденсатор сначала был незаряженным.

В положении 1 ключа К конденсатор зарядится до напряжения от батареи, и его заряд, согласно формуле для связи заряда и напряжения на конденсаторе, станет равным При этом батарея совершит работу по перемещению этого заряда на конденсатор, равную энергия заряженного конденсатора станет равной и в резисторе выделится, согласно закону сохранения энергии, количество теплоты

После переключения ключа К в положение 2 произойдёт перераспределение заряда на оба параллельно соединённых конденсатора суммарной ёмкостью Поэтому напряжение на конденсаторах станет равным а энергия уменьшится от начальной, запасённой в первом конденсаторе и равной до энергии двух заряженных конденсаторов, равной При этом, согласно закону сохранения энергии, на втором этапе процесса, при перетекании заряда с первого конденсатора на второй, на резисторе выделится количество теплоты

Всего в течение обеих стадий процесса в резисторе выделится количество теплоты

Ответ:

Источник

Читайте также:  Номинальные напряжения в соответствии с гостом
Adblock
detector