21

Решение: Энергия конденсатора в батарее

ЕГЭ · Физика · Задание 21 · Электростатика и конденсаторы
ВысокаяФИПИEA12FAРазвёрнутое решение≈ 10 минутРазбор в 5 шагов
Условие

Батарея из четырёх конденсаторов электроёмкостью $C_1 = 2C$, $C_2 = C$, $C_3 = 4C$ и $C_4 = 2C$ подключена к источнику постоянного тока с ЭДС $\mathcal{E}$ и внутренним сопротивлением $r$ (см. рисунок). Определите энергию конденсатора $C_1$.

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

5 шагов
1

Конденсаторы $C_1$ и $C_3$ подключены параллельно, как и конденсаторы $C_2$ и $C_4$. Эквивалентные ёмкости групп равны

$$C_{13} = C_1 + C_3 = 2C + 4C = 6C,\quad C_{24} = C_2 + C_4 = C + 2C = 3C$$
2

Две получившиеся группы соединены последовательно. Их эквивалентная ёмкость

$$C_{\text{экв}} = \frac{C_{13}C_{24}}{C_{13}+C_{24}} = \frac{6C\cdot 3C}{6C+3C} = 2C$$
3

В установившемся режиме ток через источник отсутствует, поэтому падение напряжения на внутреннем сопротивлении равно нулю. Напряжение на всей батарее равно ЭДС источника, а заряд последовательно соединённых групп

$$Q = C_{\text{экв}}\mathcal{E} = 2C\mathcal{E}$$
4

Напряжение на группе $C_1$, $C_3$ определяется её зарядом и эквивалентной ёмкостью

$$U_{13} = \frac{Q}{C_{13}} = \frac{2C\mathcal{E}}{6C} = \frac{\mathcal{E}}{3}$$

При параллельном соединении напряжение на конденсаторе $C_1$ такое же, как на всей группе $C_1$, $C_3$. Поэтому энергия конденсатора $C_1$ равна

$$W_1 = \frac{C_1U_{13}^2}{2} = \frac{2C}{2}\left(\frac{\mathcal{E}}{3}\right)^2 = \frac{C\mathcal{E}^2}{9}$$
Ответ

$W_1 = \dfrac{C\mathcal{E}^2}{9}$

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 $C_3$ соединёнными последовательно вместо параллельного соединения.

Использовать ЭДС $\mathcal{E}$ как напряжение непосредственно на конденсаторе $C_1$.

Забыть, что при параллельном соединении напряжения на $C_1$ и $C_3$ одинаковы.

Учитывать внутреннее сопротивление $r$ в установившемся режиме зарядки конденсаторов.

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 5 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.