Батарея из четырех конденсаторов электроемкостью С1=2С, С2=С, С3=4С и С4=2С подключена к источнику постоянного напряжения с ЭДС Ɛ и внутренним сопротивлением r (см. рисунок). На сколько и как изменится общая энергия в батарее, если в конденсаторе С3 возникнет пробой?
от

1 Ответ

Дано:  
Электроемкость конденсаторов: C1 = 2C, C2 = C, C3 = 4C, C4 = 2C  
ЭДС источника: Ɛ  
Внутреннее сопротивление источника: r  

Найти:  
Изменение общей энергии в батарее, если в конденсаторе С3 возникнет пробой  

Решение:  
1. При возникновении пробоя в конденсаторе С3 его емкость становится нулевой, следовательно, он выходит из цепи.  
2. Общая энергия в батарее до пробоя:  
E1 = (1/2) * C1 * V^2 + (1/2) * C2 * V^2 + (1/2) * C3 * V^2 + (1/2) * C4 * V^2  
3. После пробоя в конденсаторе С3 его энергия равна нулю, а общая энергия в батарее после пробоя:  
E2 = (1/2) * C1 * V^2 + (1/2) * C2 * V^2 + (1/2) * C4 * V^2  
4. Из закона сохранения заряда следует, что заряд на оставшихся конденсаторах должен остаться неизменным.  
5. Напряжение на оставшихся конденсаторах останется таким же, как и до пробоя в конденсаторе С3.  
6. Таким образом, общая энергия в батарее уменьшится на количество энергии, хранившейся в конденсаторе С3 до пробоя.  

Выполним расчеты:  
Общая энергия до пробоя:  
E1 = (1/2) * 2C * V^2 + (1/2) * C * V^2 + (1/2) * 4C * V^2 + (1/2) * 2C * V^2 = 4CV^2 + CV^2 + 8CV^2 + 4CV^2 = 17CV^2  

Общая энергия после пробоя:  
E2 = (1/2) * 2C * V^2 + (1/2) * C * V^2 + (1/2) * 2C * V^2 = 2CV^2 + CV^2 + 2CV^2 = 5CV^2  

Изменение общей энергии:  
ΔE = E1 - E2 = 17CV^2 - 5CV^2 = 12CV^2  

Ответ:  
Общая энергия в батарее уменьшится на 12CV^2.
от