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電気通信大学 情報理工学研究科 機械知能システム学専攻 2020年8月実施 選択問題6 電気回路学

Author​

祭音Myyura (co-authored with GPT 6 Astra)

Description​

問1​

内部抵抗0、起電力 EE [V] の直流電源、スイッチ SS、インダクタ LL [H] を直列に接続し、その先に抵抗 RR [Ω\Omega] とキャパシタ CC [F] の並列回路を接続する。電源負端へ両枝が戻る。インダクタを電源から流れる電流を i1i_1、抵抗枝に流れる電流を i2i_2 とする。t=0t=0 にスイッチを閉じ、キャパシタの初期電荷は0である。

  1. t≥0t\ge0 の回路方程式を i1,i2i_1,i_2 で表せ。
  2. 十分時間が経過したときの定常電流 i2(∞)i_2(\infty) を求めよ。
  3. R=1 ΩR=1\ \Omega、α=1/(2C), β=1/LC\alpha=1/(2C),\ \beta=1/\sqrt{LC} とし、α=β\alpha=\beta のとき i2(t)i_2(t) を α,E,t\alpha,E,t で表せ。必要なら L[e−kt]=1/(s+k)\mathcal L[e^{-kt}]=1/(s+k)、L[tne−kt/n!]=1/(s+k)n+1\mathcal L[t^ne^{-kt}/n!]=1/(s+k)^{n+1} を用いてよい。

問2​

抵抗値がすべて 4 Ω4\ \Omega の電球10000個を、mm 個直列の列を nn 列並列に接続した配列にする。全電球を使い、内部抵抗 1 Ω1\ \Omega、起電力 EE [V] の直流電源で給電する。配列全体の明るさは全消費電力に比例するとして、最大となる自然数 m,nm,n を求めよ。

题目描述​

问1:理想直流源 EE 经开关和电感 LL 后接电阻 RR 与电容 CC 并联支路,i1i_1 为电感电流、i2i_2 为电阻电流,电容初始无电荷,t=0t=0 合闸。写回路方程,求稳态电阻电流;在 R=1 ΩR=1\ \Omega、α=1/(2C)=β=1/LC\alpha=1/(2C)=\beta=1/\sqrt{LC} 的临界阻尼条件下求 i2(t)i_2(t)。问2:将10000只相同的 4 Ω4\ \Omega 灯泡组成每列 mm 只串联、共 nn 列并联的阵列,接内阻 1 Ω1\ \Omega 的电源;求使总功率最大的整数 m,nm,n。

Kai​

問1 (1), (2)​

並列枝の電圧が等しく、キャパシタ電流は i1−i2i_1-i_2 なので

Ldi1dt+Ri2=E,Ri2=1C∫0t(i1−i2) dτ.\boxed{L\frac{di_1}{dt}+Ri_2=E},\qquad \boxed{Ri_2=\frac1C\int_0^t(i_1-i_2)\,d\tau}.

初期条件は i1(0)=0,i2(0)=0i_1(0)=0,i_2(0)=0。第二式は RCi˙2=i1−i2RC\dot i_2=i_1-i_2 とも書ける。定常状態では微分が0となるので i1=i2i_1=i_2、したがって i2(∞)=E/R\boxed{i_2(\infty)=E/R}。

問1 (3)​

零初期値でラプラス変換すると LsI1+RI2=E/sLsI_1+RI_2=E/s、I1=(1+RCs)I2I_1=(1+RCs)I_2。R=1R=1 を代入して

I2(s)=Es(LCs2+Ls+1)=Eβ2s(s2+2αs+β2).I_2(s)=\frac{E}{s(LCs^2+Ls+1)} =\frac{E\beta^2}{s(s^2+2\alpha s+\beta^2)}.

β=α\beta=\alpha のとき

I2(s)=E[1s−1s+α−α(s+α)2],I_2(s)=E\left[\frac1s-\frac1{s+\alpha}-\frac\alpha{(s+\alpha)^2}\right],

したがって

i2(t)=E{1−(1+αt)e−αt}(t≥0).\boxed{i_2(t)=E\{1-(1+\alpha t)e^{-\alpha t}\}\quad(t\ge0)}.

初期値0、最終値 EE となり、R=1R=1 の定常値とも一致する。

問2​

配列抵抗は Ra=4m/nR_a=4m/n、mn=10000mn=10000 である。全消費電力は

P=E2Ra(1+Ra)2=E2Ra+2+1/Ra.P=\frac{E^2R_a}{(1+R_a)^2} =\frac{E^2}{R_a+2+1/R_a}.

Ra+1/Ra≥2R_a+1/R_a\ge2 より最大は Ra=1R_a=1、すなわち n=4mn=4m。これと個数条件を連立して

m=50,n=200.\boxed{m=50,\qquad n=200}.

この組は自然数の制約を満たすので、連続変数としての最大値 Pmax⁡=E2/4P_{\max}=E^2/4 がそのまま達成される。

Reference​