В идеальном колебательном контуре, состоящем из катушки индуктивностью L = 44 мГн и конденсатора емкостью С = 30 мкФ, происходят свободные электромагнитные колебания. В некоторый момент времени сила тока в катушке I1 = 2,0 А, напряжение на конденсаторе U1 = 100 В. Определите заряд конденсатора в момент времени, когда сила тока в катушке I2 = 1,0 А.
от

1 Ответ

Дано:
- индуктивность катушки L = 44 мГн = 44 × 10^(-3) Гн
- емкость конденсатора C = 30 мкФ = 30 × 10^(-6) Ф
- сила тока в катушке I1 = 2,0 А
- напряжение на конденсаторе U1 = 100 В
- сила тока в катушке I2 = 1,0 А

Найти: заряд конденсатора Q в момент времени, когда сила тока I2 = 1,0 А.

Решение:

1. Энергия электрического поля конденсатора Wc можно выразить как:
   Wc = (1/2) * C * U².
   
   Для состояния I1 и U1:
   Wc1 = (1/2) * C * U1²
   Wc1 = (1/2) * (30 × 10^(-6)) * (100)²
   Wc1 = (1/2) * (30 × 10^(-6)) * 10000
   Wc1 = (1/2) * (30 × 10^(-6)) * 10^4
   Wc1 = 0,15 Дж.

2. Энергия магнитного поля катушки Wm при I1 равна:
   Wm1 = (1/2) * L * I1²
   Wm1 = (1/2) * (44 × 10^(-3)) * (2,0)²
   Wm1 = (1/2) * (44 × 10^(-3)) * 4
   Wm1 = (1/2) * 0,176 = 0,088 Дж.

3. Полная энергия в контуре E равна сумме энергии электрического и магнитного полей:
   E = Wc1 + Wm1
   E = 0,15 + 0,088 = 0,238 Дж.

4. Теперь, когда сила тока I2 = 1,0 А, вычислим энергию магнитного поля Wm2:
   Wm2 = (1/2) * L * I2²
   Wm2 = (1/2) * (44 × 10^(-3)) * (1,0)²
   Wm2 = (1/2) * (44 × 10^(-3)) * 1
   Wm2 = (1/2) * 0,044 = 0,022 Дж.

5. Используем полную энергию для нахождения энергии электрического поля Wc2:
   Wc2 = E - Wm2
   Wc2 = 0,238 - 0,022 = 0,216 Дж.

6. Теперь можем найти заряд конденсатора Q при U2, используя Wc2:
   Wc2 = (1/2) * C * U2²,
   где U2 = Q / C, следовательно, Wc2 = (1/2) * Q² / C.

7. Подставим это в уравнение:
   Q² = 2 * Wc2 * C
   Q² = 2 * 0,216 * (30 × 10^(-6))
   Q² = 0,01296
   Q = √(0,01296) ≈ 0,1139 Кл.

Ответ: заряд конденсатора составляет approximately 0,1139 Кл.
от