跳到主要内容

東北大学 工学研究科 電気・情報系 2021年2・3月実施 基礎科目 問題2 電気回路

Author​

蛋黄猫物理 (xhs: 94162357270)

Description​

Fig.2 のようにインダクタ LL, 抵抗 RR, コンデンサ CC の直列回路がある。コンデンサ CC が充電され、その電圧は E0E_0 である。時刻 t=0t = 0 でスイッチ SS を閉じた。t≥0t \geq 0 の範囲で以下の問に答えよ。

(1) コンデンサ CC の電荷 q(t)q(t) に関する回路の基本式を微分方程式として記述せよ。

(2) 問(1)の微分方程式で電荷の特解を qs(t)=estq_s(t) = e^{st} と仮定して ss に関する特性方程式を記述し、その根を求めよ。

(3) 問(2)の特性方程式で R2=4L/CR^2 = 4L/C の場合、時刻 tt における電荷の一般解 q(t)q(t) は式(2A)のように導出できる。このとき電流 i(t)i(t) を求め、電流波形の概形(極値を含む)を描け。

q(t)=CE0e−R2Lt(1+Rt2L)\begin{align} q(t) = CE_0e^{-\frac{R}{2L}t}(1 + \frac{Rt}{2L}) \tag{2A} \end{align}

(4) 問(3)の場合に、0≤t≤∞0 \leq t \leq \infty の間に抵抗 RR で消費されるエネルギーを求め、このエネルギーが時刻 t=0t = 0 でコンデンサ CC に蓄えられていた静電エネルギーと等しいことを示せ。必要であれば式(2B)を使用せよ。

∫0∞e−attn−1dt=(n−1)!an\begin{align} \int_0^{\infty}e^{-at}t^{n - 1}dt = \frac{(n - 1)!}{a^n} \tag{2B} \end{align}

ただし、aa は実数、nn は整数とする。

题目描述​

如图 2,电感 LL、电阻 RR、电容 CC 串联。电容预先充电至电压 E0E_0,在 t=0t=0 闭合开关 SS。对 t≥0t\ge0 回答:

  1. 以电容电荷 q(t)q(t) 为变量,写出电路微分方程及初始条件。
  2. 令特解 qs(t)=estq_s(t)=e^{st},写出关于 ss 的特征方程并求根。
  3. 当 R2=4L/CR^2=4L/C(临界阻尼)时,已知
    q(t)=CE0e−R2Lt(1+Rt2L).q(t)=CE_0e^{-\frac{R}{2L}t}\left(1+\frac{Rt}{2L}\right).
    求电流 i(t)i(t),并画出含极值位置的波形概图。
  4. 求 0≤t<∞0\le t<\infty 内电阻消耗的能量,并证明它等于 t=0t=0 时电容储存的静电能。必要时可用
    ∫0∞e−attn−1 dt=(n−1)!an.\int_0^\infty e^{-at}t^{n-1}\,dt=\frac{(n-1)!}{a^n}.

Kai​

(1)​

图示电流从电容正极板流出,因此 i=−q′i=-q'。由 Kirchhoff 电压定律,

Lq′′+Rq′+qC=0,q(0)=CE0,q′(0)=0.\boxed{Lq''+Rq'+\frac qC=0,\qquad q(0)=CE_0,\quad q'(0)=0}.

(2)​

代入 qs=estq_s=e^{st},得到

Ls2+Rs+1C=0,s±=−R±R2−4L/C2L.\boxed{Ls^2+Rs+\frac1C=0,\qquad s_\pm=\frac{-R\pm\sqrt{R^2-4L/C}}{2L}}.

(3)​

令 α=R/(2L)>0\alpha=R/(2L)>0。对给定电荷求导,并利用 R2=4L/CR^2=4L/C:

i(t)=−q′(t)=CE0α2te−αt=E0Lte−αt.\boxed{i(t)=-q'(t)=CE_0\alpha^2te^{-\alpha t}=\frac{E_0}{L}te^{-\alpha t}}.
i′(t)=E0Le−αt(1−αt).i'(t)=\frac{E_0}{L}e^{-\alpha t}(1-\alpha t).

电流从零增大,在

tmax⁡=2LR,imax⁡=2E0eR\boxed{t_{\max}=\frac{2L}{R},\qquad i_{\max}=\frac{2E_0}{eR}}

处达到唯一最大值,再单调衰减至零。

临界阻尼放电电流

(4)​

电阻耗能为

W=R∫0∞i(t)2 dt=RE02L2∫0∞t2e−(R/L)t dt=RE02L22(R/L)3=2LE02R2=12CE02.\begin{aligned} W&=R\int_0^\infty i(t)^2\,dt =\frac{RE_0^2}{L^2}\int_0^\infty t^2e^{-(R/L)t}\,dt\\ &=\frac{RE_0^2}{L^2}\frac{2}{(R/L)^3} =\frac{2LE_0^2}{R^2} =\boxed{\frac12CE_0^2}. \end{aligned}

这等于电容的初始储能;最后电容电压和电感电流均趋于零。