Zadanie 7.3.1.2
Wskazówka teoretyczna
W izolowanym układzie ciał całkowity ładunek elektryczny, czyli suma algebraiczna ładunków dodatnich i ujemnych, nie ulega zmianie.
Łączenie równoległe kondensatorów
Jeżeli w układzie jest n kondensatorów połączonych równolegle, to pojemność zastępczą wyznaczamy przez sumę wszystkich pojemności
Cz=n∑i=1Ci
Jeżeli w układzie jest n kondensatorów połączonych szeregowo, to pojemność zastępczą wyznaczamy przez sumę odwrotności pojemności
1Cz=n∑i=11Ci
Informacja
Postaraj się samodzielnie rozwiązać zadanie. Możesz sprawdzić swój tok rozumowania, klikając w przyciski odsłaniające kolejne etapy proponowanego rozwiązania lub sprawdź od razu odpowiedź.
Trochę więcej teorii
1. W połączeniu szeregowym kondensatorów ładunek zgromadzony na każdym kondensatorze jest jednakowy Q. Różnica potencjałów między zaciskami ab rozkłada się na wszystkie kondensatory, czyli suma spadków napięć na poszczególnych kondensatorach będzie równa napięciu przyłożonemu do zacisków ab.
U=U1+U2+...+Un

Napięcie na poszczególnych kondensatorach wynosi:
Ui=QCi
Po podstawieniu spadków napięć do pierwszego równania, otrzymujemy:
QCZ=QC1+QC1+...+QCn
Po pomnożeniu równania przez Q uzyskujemy wzór na pojemność kondensatora zastępczego
1CZ=1C1+1C1+...+1Cn
2. W łączeniu równoległym n kondensatorów różnica potencjałów między okładkami każdego z kondensatorów jest jednakowa i wynosi U.

Ładunek zgromadzone na każdym z kondensatorów można wyznaczyć z zależności Qi=UCi. Układ kondensatorów możemy zastąpić jednym. Pojemność zastępcza kondensatora musi być tak dobrana, aby po podłączeniu do takiego kondensatora napięcia U, zgromadził się na jego okładkach ładunek Q. Ładunek ten, z prawa zachowania ładunku, wynosi:
QZ=Q1+Q2+...+Qn
UCZ=UC1+UC2+...+UCn
Pojemność zastępcza kondensatora wynosi:
CZ=C1+C2+...+Cn
Dane i szukane
Dane:
- pojemność kondensatora pierwszego C1=2⋅10−5F,
- pojemność kondensatora drugiego C2=1,8⋅10−4F,
- napięcie początkowe na pierwszym kondensatorze U1=100V.
Szukane:
- napięcie ustalone w układzie po podłączeniu drugiego kondensatora U,
- pojemność zastępcza dwóch kondensatorów połączonych równolegle Cr,
- pojemność zastępcza dwóch kondensatorów połączonych szeregowo Cs.
Analiza sytuacji
Przedstawmy sytuację opisaną w treści zadania na schematach.

Początkowo kondensator pierwszy o pojemności C1 naładowany jest do napięcia U1 zatem ładunek zgromadzony na tym kondensatorze wynosi
Q=C1U1
W chwili podłączenia drugiego kondensatora ładunek Q zostaje rozdzielony pomiędzy oba kondensatory, czyli
Q=Q1+Q2
W połączeniu równoległym różnica potencjałów na każdym kondensatorze jest taka sama i wynosi U. Można więc zapisać:
Q1=C1U
Q2=C2U
Po podstawieniu równanie określające zachowanie ładunku przybierze postać:
C1U1=C1U+C2U
Szukane napięcie wyznaczymy z
U=C1C1+C2U1
Rozwiązanie
Napięcie ustalone w układzie po podłączeniu drugiego kondensatora wynosi
U=C1C1+C2U1=2⋅10−52⋅10−5+1,8⋅10−4⋅100=10V
W połączeniu równoległym pojemność kondensatora zastępczego wynosi
Cr=C1+C2=2⋅10−5+1,8⋅10−4=2⋅10−4F
W połączeniu szeregowym pojemność kondensatora zastępczego wynosi
Cs=C1⋅C2C1+C2=2⋅10−5⋅1,8⋅10−42⋅10−5+1,8⋅10−4=1,8⋅10−5F
Odpowiedź
Napięcie ustalone w układzie po podłączeniu drugiego kondensatora wynosi U=10V. W połączeniu równoległym pojemność kondensatora zastępczego wynosi Cr=2⋅10−4F, a w szeregowym Cs=1,8⋅10−5F.