-->
|
|
|
Ãëàâà 14. Ýëåêòðîñòàòèêà § 99. Ïðèìåðû ðåøåíèÿ çàäà÷ ïî òåìå «Ýëåêòðî¸ìêîñòü. Ýíåðãèÿ çàðÿæåííîãî êîíäåíñàòîð໫Ýëåêòðî¸ìêîñòü» — ïîñëåäíÿÿ òåìà ðàçäåëà «Ýëåêòðîñòàòèêà». Ïðè ðåøåíèè çàäà÷ íà ýòó òåìó ìîãóò ïîòðåáîâàòüñÿ âñå ñâåäåíèÿ, ïîëó÷åííûå ïðè èçó÷åíèè ýëåêòðîñòàòèêè: çàêîí ñîõðàíåíèÿ ýëåêòðè÷åñêîãî çàðÿäà, ïîíÿòèÿ íàïðÿæ¸ííîñòè ïîëÿ è ïîòåíöèàëà, ñâåäåíèÿ î ïîâåäåíèè ïðîâîäíèêîâ â ýëåêòðîñòàòè÷åñêîì ïîëå, î íàïðÿæ¸ííîñòè ïîëÿ â äèýëåêòðèêàõ, î çàêîíå ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè ïðèìåíèòåëüíî ê ýëåêòðîñòàòè÷åñêèì ÿâëåíèÿì. Îñíîâíîé ôîðìóëîé ïðè ðåøåíèè çàäà÷ íà ýëåêòðî¸ìêîñòü ÿâëÿåòñÿ ôîðìóëà (14.22). Çàäà÷à 1. Ýëåêòðî¸ìêîñòü êîíäåíñàòîðà, ïîäêëþ÷¸ííîãî ê èñòî÷íèêó ïîñòîÿííîãî íàïðÿæåíèÿ U = 1000 Â, ðàâíà C1 = 5 ïÔ. Ðàññòîÿíèå ìåæäó åãî îáêëàäêàìè óìåíüøèëè â n = 3 ðàçà. Îïðåäåëèòå èçìåíåíèå çàðÿäà íà îáêëàäêàõ êîíäåíñàòîðà è ýíåðãèè ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ. Ð å ø å í è å. Ñîãëàñíî ôîðìóëå (14.22) çàðÿä êîíäåíñàòîðà q = CU. Îòñþäà èçìåíåíèå çàðÿäà Δq — (Ñ2 - C)U = (nC1 - C1)U = (ï — 1)Ñ1U = 10-8 Êë. Èçìåíåíèå ýíåðãèè ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ
Çàäà÷à 2. Çàðÿä êîíäåíñàòîðà q = 3 • 10-8 Êë. ¨ìêîñòü êîíäåíñàòîðà Ñ = 10 ïÔ. Îïðåäåëèòå ñêîðîñòü, êîòîðóþ ïðèîáðåòàåò ýëåêòðîí, ïðîëåòàÿ â êîíäåíñàòîðå ïóòü îò îäíîé ïëàñòèíû ê äðóãîé. Íà÷àëüíàÿ ñêîðîñòü ýëåêòðîíà ðàâíà íóëþ. Óäåëüíûé çàðÿä ýëåêòðîíà Ð å ø å í è å. Íà÷àëüíàÿ êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ýëåêòðîíà ðàâíà íóëþ, à êîíå÷íàÿ ðàâíà Ñëåäîâàòåëüíî, Îêîí÷àòåëüíî
Çàäà÷à 3. ×åòûðå êîíäåíñàòîðà ¸ìêîñòÿìè Ñ1 = Ñ2 = = 1 ìêÔ, Ñ3 = 3 ìêÔ, Ñ4 = 2 ìêÔ ñîåäèíåíû, êàê ïîêàçàíî íà ðèñóíêå 14.46. Ê òî÷êàì À è  ïîäâîäèòñÿ íàïðÿæåíèå U = 140 Â. Îïðåäåëèòå çàðÿä q1 è íàïðÿæåíèå U1, íà êàæäîì èç êîíäåíñàòîðîâ. Ð å ø å í è å. Äëÿ îïðåäåëåíèÿ çàðÿäà è íàïðÿæåíèÿ ïðåæäå âñåãî íàéä¸ì ¸ìêîñòü áàòàðåè êîíäåíñàòîðîâ. Ýêâèâàëåíòíàÿ ¸ìêîñòü âòîðîãî è òðåòüåãî êîíäåíñàòîðîâ Ñ2,3 = Ñ2 + Ñ3, à ýêâèâàëåíòíóþ ¸ìêîñòü âñåé áàòàðåè êîíäåíñàòîðîâ, ïðåäñòàâëÿþùåé ñîáîé òðè ïîñëåäîâàòåëüíî ñîåäèí¸ííûõ êîíäåíñàòîðà ¸ìêîñòÿìè Ñ1, Ñ2,3, Ñ4, íàéä¸ì èç ñîîòíîøåíèÿ 1/Cýêâ = 1 /Ñ1 + 1/Ñ2,3 + 1 /Ñ4, Ñýêâ = (4/7) • 10-6 Ô. Çàðÿäû íà ýòèõ êîíäåíñàòîðàõ îäèíàêîâû: q1 = q2,3 = q4 = Ñýêâ = 8 • 10-5 Êë. Ñëåäîâàòåëüíî, çàðÿä ïåðâîãî êîíäåíñàòîðà q1 = 8 • 10-5 Êë, à ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ ìåæäó åãî îáêëàäêàìè, èëè íàïðÿæåíèå, U1 = q1/Ñ1 = 80 Â. Äëÿ ÷åòâ¸ðòîãî êîíäåíñàòîðà àíàëîãè÷íî èìååì q4 = 8 • 10-5 Êë, U4 = q4/C4 = 40 Â. Íàéä¸ì íàïðÿæåíèå íà âòîðîì è òðåòüåì êîíäåíñàòîðàõ: U2 = U3 = q2,3/C2,3 = 20 Â. Òàêèì îáðàçîì, íà âòîðîì êîíäåíñàòîðå çàðÿä q2 = C2U2 = 2 • 10-5 Êë, à íà òðåòüåì êîíäåíñàòîðå q3 = C3U3 = 6 • 10-5 Êë. Îòìåòèì, ÷òî q2,3 = q2 + g3.
Çàäà÷à 4. Îïðåäåëèòå ýêâèâàëåíòíóþ ýëåêòðè÷åñêóþ ¸ìêîñòü â öåïè, èçîáðàæ¸ííîé íà ðèñóíêå (14.47 à), åñëè ¸ìêîñòè êîíäåíñàòîðîâ èçâåñòíû. Ð å ø å í è å. ×àñòî ïðè ðåøåíèè çàäà÷, â êîòîðûõ òðåáóåòñÿ îïðåäåëèòü ýêâèâàëåíòíóþ ýëåêòðè÷åñêóþ ¸ìêîñòü, ñîåäèíåíèå êîíäåíñàòîðîâ íå î÷åâèäíî.  ýòîì ñëó÷àå åñëè óäà¸òñÿ îïðåäåëèòü òî÷êè öåïè, â êîòîðûõ ïîòåíöèàëû ðàâíû, òî ìîæíî ñîåäèíèòü ýòè òî÷êè èëè èñêëþ÷èòü êîíäåíñàòîðû, ïðèñîåäèí¸ííûå ê ýòèì òî÷êàì, òàê êàê îíè íå ìîãóò íàêàïëèâàòü çàðÿä (Δφ = 0) è, ñëåäîâàòåëüíî, íå èãðàþò ðîëè ïðè ðàñïðåäåëåíèè çàðÿäîâ.  ïðèâåä¸ííîé íà ðèñóíêå (14.47, à) ñõåìå íåò î÷åâèäíîãî ïàðàëëåëüíîãî èëè ïîñëåäîâàòåëüíîãî ñîåäèíåíèÿ êîíäåíñàòîðîâ, òàê êàê â îáùåì ñëó÷àå φA ≠ φB â è ê êîíäåíñàòîðàì Ñ1 è Ñ2 ïðèëîæåíû ðàçíûå íàïðÿæåíèÿ. Îäíàêî çàìåòèì, ÷òî â ñèëó ñèììåòðèè è ðàâåíñòâà ¸ìêîñòåé ñîîòâåòñòâóþùèõ êîíäåíñàòîðîâ ïîòåíöèàëû òî÷åê À è  ðàâíû. Ñëåäîâàòåëüíî, ìîæíî, íàïðèìåð, ñîåäèíèòü òî÷êè À è Â. Ñõåìà ïðåîáðàçóåòñÿ ê âèäó, èçîáðàæ¸ííîìó íà ðèñóíêå (14.47, á). Òîãäà êîíäåíñàòîðû Ñ1, òàê æå êàê è êîíäåíñàòîðû Ñ2, áóäóò ñîåäèíåíû ïàðàëëåëüíî è Ñýêâ îïðåäåëèì ïî ôîðìóëå 1/Ñýêâ = 1/2Ñ1 + 1/2Ñ2, îòêóäà
Ìîæíî òàêæå ïðîñòî íå ó÷èòûâàòü ïðèñóòñòâèå â ñõåìå êîíäåíñàòîðà ÑÇ, òàê êàê çàðÿä íà í¸ì ðàâåí íóëþ. Òîãäà ñõåìà ïðåîáðàçóåòñÿ ê âèäó, èçîáðàæ¸ííîìó íà ðèñóíêå (14.47, â). Êîíäåíñàòîðû Ñ1 è Ñ2 ñîåäèíåíû ïîñëåäîâàòåëüíî, ñëåäîâàòåëüíî,
Ýêâèâàëåíòíûå êîíäåíñàòîðû ñ Ñ'ýêâ ñîåäèíåíû ïàðàëëåëüíî, òàê ÷òî îêîí÷àòåëüíî ïîëó÷èì òàêîå æå âûðàæåíèå äëÿ ýêâèâàëåíòíîé ¸ìêîñòè:
Çàäà÷à 5. Ýíåðãèÿ ïëîñêîãî âîçäóøíîãî êîíäåíñàòîðà W1 = 2 • 10-7 Äæ. Îïðåäåëèòå ýíåðãèþ êîíäåíñàòîðà ïîñëå çàïîëíåíèÿ åãî äèýëåêòðèêîì ñ äèýëåêòðè÷åñêîé ïðîíèöàåìîñòüþ ε = 2, åñëè: 1) êîíäåíñàòîð îòêëþ÷¸í îò èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ; 2) êîíäåíñàòîð ïîäêëþ÷¸í ê èñòî÷íèêó ïèòàíèÿ. Ð å ø å í è å. 1) Òàê êàê êîíäåíñàòîð îòêëþ÷¸í îò èñòî÷íèêà ïèòàíèÿ, òî åãî çàðÿä q0 îñòà¸òñÿ ïîñòîÿííûì. Ýíåðãèÿ êîíäåíñàòîðà äî çàïîëíåíèÿ åãî äèýëåêòðèêîì Òîãäà Çàäà÷è äëÿ ñàìîñòîÿòåëüíîãî ðåøåíèÿ1. Ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ ìåæäó îáêëàäêàìè êîíäåíñàòîðà ¸ìêîñòüþ 0,1 ìêÔ èçìåíèëàñü íà 175 Â. Îïðåäåëèòå èçìåíåíèå çàðÿäà êîíäåíñàòîðà. 2.  ïðîñòðàíñòâî ìåæäó ïëàñòèíàìè ïëîñêîãî êîíäåíñàòîðà âëåòàåò ýëåêòðîí ñî ñêîðîñòüþ 2-107 ì/ñ, íàïðàâëåííîé ïàðàëëåëüíî ïëàñòèíàì êîíäåíñàòîðà. Íà êàêîå ðàññòîÿíèå ïî íàïðàâëåíèþ ê ïîëîæèòåëüíî çàðÿæåííîé ïëàñòèíå ñìåñòèòñÿ ýëåêòðîí çà âðåìÿ äâèæåíèÿ âíóòðè êîíäåíñàòîðà, åñëè äëèíà êîíäåíñàòîðà ðàâíà 0,05 ì è ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ ìåæäó ïëàñòèíàìè 200 Â? Ðàññòîÿíèå ìåæäó ïëàñòèíàìè êîíäåíñàòîðà ðàâíî 0,02 ì. Îòíîøåíèå ìîäóëÿ çàðÿäà ýëåêòðîíà ê åãî ìàññå ðàâíî 1,76 • 1011 Êë/êã. 3. Ïëîñêèé êîíäåíñàòîð çàðÿäèëè ïðè ïîìîùè èñòî÷íèêà òîêà íàïðÿæåíèåì U = 200 Â. Çàòåì êîíäåíñàòîð áûë îòêëþ÷¸í îò ýòîãî èñòî÷íèêà òîêà. Êàêèì ñòàíåò íàïðÿæåíèå U1 ìåæäó ïëàñòèíàìè, åñëè ðàññòîÿíèå ìåæäó íèìè óâåëè÷èòü îò ïåðâîíà÷àëüíîãî d = 0,2 ìì äî d1 = 0,7 ìì? 4. Îïðåäåëèòå ¸ìêîñòü âîçäóøíîãî ñôåðè÷åñêîãî êîíäåíñàòîðà. Ðàäèóñû ñôåð R1 è R2. 5.  ïëîñêèé âîçäóøíûé êîíäåíñàòîð âñòàâëÿåòñÿ ìåòàëëè÷åñêàÿ ïëàñòèíà òîëùèíîé d0. Çàðÿä íà îáêëàäêàõ êîíäåíñàòîðà q. Êîíäåíñàòîð îòêëþ÷¸í îò èñòî÷íèêà. Ðàññòîÿíèå ìåæäó ïëàñòèíàìè d, ïëîùàäü ïëàñòèí S. Îïðåäåëèòå èçìåíåíèå ¸ìêîñòè êîíäåíñàòîðà è ýíåðãèè åãî ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ.
Ïîâòîðèòå ìàòåðèàë ãëàâû 14 ïî ñëåäóþùåìó ïëàíó1. Âûïèøèòå îñíîâíûå ïîíÿòèÿ è ôèçè÷åñêèå âåëè÷èíû è äàéòå èì îïðåäåëåíèå. 2. Ñôîðìóëèðóéòå çàêîíû è çàïèøèòå îñíîâíûå ôîðìóëû. 3. Óêàæèòå åäèíèöû ôèçè÷åñêèõ âåëè÷èí è èõ âûðàæåíèå ÷åðåç îñíîâíûå åäèíèöû ÑÈ. 4. Îïèøèòå îñíîâíûå îïûòû, ïîäòâåðæäàþùèå ñïðàâåäëèâîñòü çàêîíîâ.
|
|
|