НЕСФ 2017, 11–12 клас — Задача 2. Кондензатор с променлив капацитет

Национално есенно състезание по физика, 17–19 ноември 2017 г., гр. Варна — Тема за 11.–12. клас, пета състезателна група · 17 ноември 2017 г. · 10 т.

Условие

За промяна на честотата на трептящ кръг в радиотехниката са се използвали кондензатори с променлив капацитет. Промяната на капацитета на такъв кондензатор става, като се промени ефективната площ на плочите на кондензатора. На Фигура 2 е показан кондензатор с променлив капацитет, който се състои от 2N2N на брой еднакви тънки плочи с формата на полукръг с радиус rr. Плочите са разделени на два реда, условно бели и сиви, като плочите във всеки ред са свързани с проводници (плътните линии на горната част от Фиг. 2). Разстоянието между две съседни плочи от един ред (например белите) е dd. Сивите плочи са поставени точно по средата между белите плочи и могат да се въртят около ос, минаваща през центъра на всеки от полукръговете – пунктираната линия от Фиг. 2.

Горе: пакет от полукръгли плочи на кондензатор с променлив капацитет, свързани в два реда (заряди $+q_0$ и $-q_0$), с ос на въртене през центъра на полукръговете. Долу: две полукръгли плочи, завъртени на ъгъл $\theta$, с радиус $r$ и защрихована ефективна площ $S(\theta)$.
Фигура 2

2.1. Определете капацитета CC на кондензатора като функция на ъгъла на завъртане θ\theta. При θ=0\theta = 0 капацитетът C(0)=C0C(0) = C_0 е максимален. (3 т.)

2.2. Кондензатор с променлив капацитет е успоредно свързан с резистор със съпротивление RR – Фигура 3. В началния момент кондензаторът е зареден до заряд q0q_0, а капацитетът му е C0C_0 (кондензаторът от предното подусловие).

Затворена верига: кондензатор с капацитет $C_0$ и заряд $q_0$ горе, резистор $R$ долу.
Фигура 3

2.2.1. С каква ъглова скорост ω\omega трябва да въртим плочите му, така че токът във веригата да остава постоянен? (4 т.)

2.2.2. За колко време τ\tau кондензаторът ще се разреди напълно? (1,5 т.)

2.2.3. Колко е отделеното количество топлина QQ през резистора за това време? (1,5 т.)

Отговори

Решение


Оригинал в Архива: esenni_2017_11-12problems.pdf · официални решения: esenni_2017_11-12solutions.pdf