РУҚА
21

Решение: Энергия батареи конденсаторов

ЕГЭ · Физика · Задание 21 · Электростатика и конденсаторы
ВысокаяФИПИ0C59AAРазвёрнутое решение≈ 10 минутРазбор в 7 шагов
Условие

Батарея из четырёх конденсаторов электроёмкостью $C_1 = 2C$, $C_2 = C$, $C_3 = 4C$ и $C_4 = 2C$ подключена к источнику постоянного напряжения с ЭДС $\mathcal{E}$ и внутренним сопротивлением $r$ (см. рисунок). На сколько и как изменится общая энергия, запасённая в батарее, если в конденсаторе $C_3$ возникнет пробой?

Открыть задачу и решить самому
Дальше ответЕсли ещё решаете — начните с подсказок: они ведут к ответу, но не выдают его.
К подсказкам

Решение по шагам

7 шагов
1

До пробоя конденсаторы $C_1$ и $C_3$ соединены параллельно, поэтому их эквивалентная ёмкость равна:

$$C_{左} = C_1 + C_3 = 2C + 4C = 6C$$
2

Конденсаторы $C_2$ и $C_4$ также соединены параллельно:

$$C_{прав} = C_2 + C_4 = C + 2C = 3C$$
3

Две параллельные группы соединены последовательно. Поэтому исходная эквивалентная ёмкость батареи равна:

$$C_{\text{экв,1}} = \frac{C_{лев}C_{прав}}{C_{лев}+C_{прав}} = \frac{6C \cdot 3C}{6C+3C} = 2C$$
4

При пробое конденсатор $C_3$ превращается в проводник и замыкает среднюю точку с левым выводом батареи. Конденсаторы $C_1$ и $C_3$ оказываются зашунтированы, а $C_2$ и $C_4$ подключены параллельно к источнику.

$$C_{\text{экв,2}} = C_2 + C_4 = C + 2C = 3C$$
5

В установившемся режиме напряжение на батарее равно ЭДС источника $\mathcal{E}$. Внутреннее сопротивление $r$ влияет только на переходный процесс, но не на конечную энергию.

$$W = \frac{1}{2}C_{\text{экв}}\mathcal{E}^2$$
6

Исходная и конечная энергии равны:

$$W_1 = \frac{1}{2}\cdot 2C\mathcal{E}^2 = C\mathcal{E}^2,\qquad W_2 = \frac{1}{2}\cdot 3C\mathcal{E}^2 = \frac{3}{2}C\mathcal{E}^2$$

Изменение энергии положительно, следовательно, энергия увеличивается:

$$\Delta W = W_2 - W_1 = \frac{3}{2}C\mathcal{E}^2 - C\mathcal{E}^2 = \frac{1}{2}C\mathcal{E}^2$$
Ответ

Общая энергия увеличится на $\dfrac{1}{2}C\mathcal{E}^2$.

Этот ответ получен в разборе, но не сверен с официальным ключом из банка — проверьте выкладки, прежде чем заучивать результат.

Где здесь ошибаются

Считать конденсаторы $C_1$ и $C_3$ или $C_2$ и $C_4$ соединёнными последовательно вместо параллельного соединения.

После пробоя учитывать $C_3$ как обычный конденсатор, а не как проводник.

Использовать ЭДС источника не для конечного установившегося режима.

Считать, что внутреннее сопротивление $r$ изменяет конечную энергию, хотя оно влияет только на переходный процесс.

Закрепить приёмВ теме «Электростатика и конденсаторы» ещё 120 задач — с ответом и таким же разбором.
Тренироваться

Как решать задание 21 ЕГЭ, физика

Разбор этой задачи разложен на 7 шагов: видно, откуда берётся каждое число и где теряется балл. Ответ приведён рядом с выкладками, а не вместо них.

Задача из темы «Электростатика и конденсаторы»: в ней 121 задача, и у каждой есть такой же разбор. Регистрация не нужна.