Patrik dostal v zimnom semestri z elektriny a magnetizmu A. Odvtedy sa od samej radosti neustále hrá s kondenzátormi. Zobral si dva kondenzátory s kapacitami $C_1$ a $C_2$ a nabil ich na rovnaké napätie $U_0$. Pomyslel si, že keby ich zapojil paralelne s rovnakými polaritami, nedialo by sa nič zaujímavé, a preto jeden kondenzátor otočil tak, aby jeho polarita bola opačná.
Obrázok 1: Predstavme si to nejak takto
Aké bude výsledné napätie medzi bodmi $A$ a $B$ po zopnutí spínačov $S_1$ a $S_2$ a ustálení? Aký veľký náboj pretiekol spínačom $S_1$?
Bez ujmy na všeobecnosti nech je $C_1 > C_2$. Zo zapojenia pred zopnutím spínačov dostávame $$ \begin{aligned} Q_1 &= U_0 C_1, \ Q_2 &= U_0 C_2. \end{aligned} \qquad(1)$$
Po zopnutí spínačov elektróny na vetve $B$ pretečú z jedného kondenzátora na druhý, pretože sa musí vyrovnať napätie. Rovnako sa tak stane aj na vetve $A$. Napätie po ustálení si označme $U’$. Zo zapojenia po zopnutí dostávame $$ \begin{aligned} Q_1’ &= U’ C_1, \ Q_2’ &= U’ C_2. \end{aligned} \qquad(2)$$
Posledná potrebná rovnica vychádza zo zákona zachovania náboja. Ak písmenami $Q$ označujeme veľkosť náboja, tak jeho polaritu musíme určiť znamienkom pred $Q$. Na vetve $A$ je teda pôvodne kladný $Q_1$ a záporný $Q_2$. Z predpokladu $C_1 > C_2$ vyplýva, že na vetve $A$ je dokopy kladný náboj, ktorý sa tak po zopnutí spínača rozdelí na kladné náboje $Q_1’$ a $Q_2’$, čiže $$ Q_1’ + Q_2’ = Q_1 - Q_2. \qquad(3)$$
Pozorný čitateľ vzoráku si určite všimne, že heslo šifry je hryzovisko, no dôležitejšie je, že máme $5$ rovníc o $5$ neznámych, a teda hor sa na riešenie.
Po dosadení rovníc 1 a 2 do 3 dostávame $$ U’\left(C_1+C_2\right) = U_0\left(C_1-C_2\right) \qquad\Rightarrow\qquad U’ = \frac{C_1-C_2}{C_1+C_2} U_0. \qquad(4)$$
Vidíme, že napätie nám vyšlo menšie ako $U_0$, čo bolo aj naozaj očakávané.
Ešte potrebujeme zrátať, aký náboj pretiekol spínačom $S_1$. Keďže pred pretečením bol na kondenzátore náboj $Q_1$ a po pretečení $Q_1’$, ich rozdiel je vlastne pretečený náboj, pretože náboj nevzniká ani nezaniká, čiže $$ Q = Q_1 - Q_1’. \qquad(5)$$
Po dosadení z rovníc 1, 2 a 4 do 5 máme $$ \begin{aligned} Q &= U_0 C_1\left(1 - \frac{C_1 - C_2}{C_1 + C_2}\right) \ &= 2\frac{C_1 C_2}{C_1 + C_2} U_0. \end{aligned} \qquad(6)$$
Týmto je úloha vyriešená.
Fyzikálny korešpondenčný seminár zastrešuje občianske združenie Trojsten.
Trojsten, o.z.
FMFI UK, Mlynská dolina
842 48 Bratislava
Kategória pre makačov
Tímová fyzikálna súťaž pre stredoškolákov
Intenzívny fyzikálny zážitok v lete