Цепь, состоящая из двух конденсаторов с емкостями ...

Создано: 9 февраля 2026 г.

Отвечено с использованием GPT-5.2 Thinking от Chat01

Вопрос

image.pngimage.png

Цепь, состоящая из двух конденсаторов с емкостями C_1 и C_2 и катушки с индуктивностью L (см. рис.), первоначально разомкнута. Конденсатор C_1 заряжают до напряжения V а конденсатор C_2 остается незаряженным. Определить максимальную величину силы тока в цепи после замыкания ключа K. Активным сопротивлением катушки пренебречь.

Вопрос

image.pngimage.png

Цепь, состоящая из двух конденсаторов с емкостями C_1 и C_2 и катушки с индуктивностью L (см. рис.), первоначально разомкнута. Конденсатор C_1 заряжают до напряжения V а конденсатор C_2 остается незаряженным. Определить максимальную величину силы тока в цепи после замыкания ключа K. Активным сопротивлением катушки пренебречь.

Мысль

Analyzing current in a series LC circuit with capacitors

I need to solve for the circuit dynamics. The setup involves an inductor in series with two capacitors connected in series, initially with no current (i(0) = 0). Closing the switch at t = 0 leads to charge redistribution, but the inductor prevents an instantaneous change in current, implying no immediate current or voltage change across the capacitors.

Modeling charge dynamics in a series LC circuit

To model energy conservation, the initial energy in capacitor C1 is (1/2) C1 V^2. The current maximizes when the inductor's energy is at its maximum and the capacitors' energy is at a minimum, while respecting charge conservation. Although both capacitors are involved in the same current, there's a charge difference initially, creating a node charge difference between them.

Clarifying capacitor and switch connections in the circuit

I’m assigning charge and defining the setup. Capacitor C1 is between nodes N0 (left) and N1 (middle), while C2 is between N1 and N2 (right). The switch connects the right plate of C2 to the inductor when closed. The main loop flows through N0, C1, N1, C2, and N2, with the switch completing the circuit.

Analyzing charge behavior in the series LC circuit

The circuit involves C1, C2, and a switch in series, with the inductor completing the loop. In a steady state with a DC source, the charges on C1 and C2 remain equal. However, dynamically, the middle node’s net charge varies because displacement currents flow through capacitors, but total charge remains conserved. Initially, C1 is charged to V, while C2 is uncharged.

Defining initial charges and capacitor connections

Let's define the initial charges: C1 has ±Q0 on its plates, with the left plate (connected to N0) holding +Q0 and the right plate at N1 holding -Q0. C2 is initially uncharged. The total charge on node N1 is -Q0. This node’s charge remains constant, as there’s no conduction path for leakage. We'll use q1 for the charge on C1's right plate and q2 for C2's left plate, maintaining charge balance in the system.

Analyzing voltage drops and current relations

The voltage drops for C1 and C2 are: across C1 (N0 to N1) is -v1 and across C2 (N1 to N2) is v2. The inductor’s voltage drop follows as L di/dt, with the current flowing from N2 to N0, as chosen for the loop. Current through both capacitors is equal, and the current relations through C1 and C2 are linked by their respective charges, q1 and q2.

Examining charge distribution and oscillations

The charges q1 and q2 are constant since their sum is fixed, and we use q2 as the variable. The system behaves as a driven harmonic oscillator. The equilibrium charges divide according to the ratio of capacitances, C1:C2. The current oscillates with a specific frequency and amplitude, determined by initial conditions and energy in the system.

Calculating current amplitude and energy conversion

By defining the initial voltage on C1, the system's charges and currents can be calculated. The maximum current amplitude depends on the capacitances, initial charge, and inductance. Although the formula seems correct for Imax = V * sqrt(Ceq/L), the initial energy in the capacitors doesn’t completely convert into inductor energy due to a charge constraint.

Thought for 2m 48s

Ответ

После замыкания ключа ток в катушке не может скачком измениться, поэтому в первый момент перезаряд идёт как колебательный процесс без потерь.

Обозначим заряды на конденсаторах (по модулю) q1,q2q_1, q_2. Средний узел между C1C_1 и C2C_2 изолирован, значит его суммарный заряд сохраняется, а в серии это даёт ограничение

q1+q2=Q0,Q0=C1V,q_1+q_2 = Q_0,\qquad Q_0=C_1V,

поскольку изначально заряжен только C1C_1.

Энергия в конденсаторах:

UC=q122C1+q222C2.U_C=\frac{q_1^2}{2C_1}+\frac{q_2^2}{2C_2}.

Максимальный ток будет тогда, когда энергия катушки максимальна, то есть энергия конденсаторов минимальна при условии q1+q2=Q0q_1+q_2=Q_0. Минимизируя UCU_C с этим условием, получаем

q1C1=q2C2    q1=Q0C1C1+C2,q2=Q0C2C1+C2.\frac{q_1}{C_1}=\frac{q_2}{C_2}\;\Rightarrow\; q_1=\frac{Q_0C_1}{C_1+C_2},\quad q_2=\frac{Q_0C_2}{C_1+C_2}.

Тогда минимальная энергия в конденсаторах

UC,min=Q022(C1+C2).U_{C,\min}=\frac{Q_0^2}{2(C_1+C_2)}.

Начальная энергия была

U0=12C1V2=Q022C1.U_{0}=\frac{1}{2}C_1V^2=\frac{Q_0^2}{2C_1}.

Разность ушла в катушку при ImaxI_{\max}:

12LImax2=U0UC,min.\frac{1}{2}LI_{\max}^2 = U_0-U_{C,\min}.

Отсюда

Imax2=Q02L(1C11C1+C2)=V2C1C2L(C1+C2).I_{\max}^2 = \frac{Q_0^2}{L}\left(\frac{1}{C_1}-\frac{1}{C_1+C_2}\right) = \frac{V^2\,C_1C_2}{L(C_1+C_2)}.

Ответ:

Imax=VC1C2L(C1+C2).\boxed{\,I_{\max}=V\sqrt{\frac{C_1C_2}{L\,(C_1+C_2)}}\,}.

Вопрос

пояснее пропиши момент максимального тока в цепи

Мысль

Explaining the maximum current and energy distribution in an LC circuit

For a series LC circuit, the current is maximum when the net voltage on the inductor is zero, which occurs when dI/dt = 0. At this point, the energy in the capacitors is minimal. The equation L di/dt + q1/C1 + q2/C2 = 0 describes the relationship of charges and current in the system. The total charge, q1 + q2 = Q0, gives a constraint, and current i is related to dq1/dt or dq2/dt.

Clarifying voltage and energy minimization in LC circuit

At the maximum current, the rate of change (di/dt) is zero, so the voltage across the inductor (L) is zero. This means the sum of the capacitor voltages in the loop equals zero too. After closing the switch, charges redistribute, and both capacitors likely end up with the same voltage, equal to V*C1/(C1+C2). However, the total sum of loop voltages doesn't necessarily equal zero.

Clarifying Kirchhoff’s Voltage Law (KVL) and capacitor orientation

In applying KVL, I need to account for capacitor orientations. If they are in series with opposite polarity, voltages will add. For maximum current, the inductor’s voltage (V_L) must be zero, so the total voltage across the capacitors should also equal zero. I’ll need consistent definitions, so I’ll define x as the charge that flows through the inductor. Initially, C1 has Q0 and C2 has 0.

Understanding circuit configuration and charge conservation

In this circuit, it's a single loop with an inductor on top and two capacitors (C1 and C2) in series on the bottom, along with a switch. The middle node (B) between C1 and C2 is floating and its total charge is conserved. Labeling the nodes, A is on the left, B is the middle, and C is on the right. Initially, the switch is open, leaving capacitors isolated. After closing the switch, the capacitors connect in series, with C1 between A and B, and C2 between B and C.

Clarifying charge conservation and loop voltage relationships

When the switch is open, the capacitor C1 can be charged externally, leaving C2 uncharged. Initially, C1's plates have charges of +Q0 and -Q0, while C2 has 0 charge. The middle node's net charge is -Q0, which is conserved when the switch is closed. For voltages, I use the capacitors' charge relationships: V1 = q1/C1 and V2 = q2/C2. The KVL around the loop gives V_A - V_C = -q1/C1 + q2/C2.

Exploring inductor and capacitor relationships at Imax

At Imax, the inductor's voltage is zero, meaning the potentials at A and C are equal. This implies that the voltages across C1 and C2 are equal, as the current through both capacitors is the same. The energy method avoids confusion with signs, and this setup matches the earlier condition where the voltages are equal. Ultimately, the voltage on both capacitors is the same, making A and C equipotential at Imax.

Explaining energy transfer and the Imax moment

When the switch is closed, initially, the current is zero, and charges redistribute. Over time, the energy transitions from the capacitors to the inductor. At Imax, the current peaks, and di/dt = 0, meaning the magnetic field in the inductor is fully developed, and the electric field in the capacitors is minimized. The two capacitors share equal voltage. By considering energy conservation and the system’s linear nature, I also derived an expression for the system's frequency and period.

Thought for 2m 18s

Ответ

Ок — поясню именно что означает “момент максимального тока” и почему он соответствует найденному распределению зарядов.


Что происходит после замыкания ключа

Сразу после замыкания:

  • ток через катушку не может возникнуть скачком, поэтому I(0)=0.I(0)=0.
  • энергия сначала целиком электрическая (в C1C_1), затем начинает переходить в магнитную (в LL).

Ток растёт, пока катушка ещё разгоняет ток, то есть пока dIdt0\dfrac{dI}{dt}\neq 0.


Условие момента максимального тока

Максимум тока — это вершина графика I(t)I(t). В этот момент

dIdt=0.\frac{dI}{dt}=0.

Но для катушки

UL=LdIdt.U_L = L\frac{dI}{dt}.

Значит в момент максимума тока

UL=0,U_L = 0,

то есть напряжение на катушке равно нулю, и её выводы имеют одинаковый потенциал:

φA=φC.\varphi_A=\varphi_C.

Что это даёт для конденсаторов

Нижняя ветвь — это C1C_1 и C2C_2 последовательно между теми же узлами AA и CC. Если φA=φC\varphi_A=\varphi_C, то суммарное напряжение между AA и CC равно нулю:

UAC=0.U_{AC}=0.

А оно равно алгебраической сумме падений на конденсаторах. Удобно формулировать так:

в момент ImaxI_{\max} напряжения на C1C_1 и C2C_2 (относительно среднего узла) становятся равными, что даёт

q1C1=q2C2.\frac{q_1}{C_1}=\frac{q_2}{C_2}.

(Это эквивалентно тому, что при UL=0U_L=0 крайние узлы равнопотенциальны, и “перекос” напряжений между двумя конденсаторами исчезает.)


Почему именно тогда ток максимален (энергетически)

В этот момент энергия катушки

WL=12LI2W_L=\frac12 LI^2

максимальна, значит энергия в конденсаторах минимальна (потерь нет).

А минимум энергии конденсаторов при сохранении заряда “среднего узла” как раз и даёт условие

q1C1=q2C2,\frac{q_1}{C_1}=\frac{q_2}{C_2},

то есть найденное распределение зарядов.


Итог (и формула максимального тока)

Дальше уже по энергии получается то же выражение:

Imax=VC1C2L(C1+C2).\boxed{\,I_{\max}=V\sqrt{\frac{C_1C_2}{L\,(C_1+C_2)}}\,}.

Если хочешь, могу ещё показать это через дифференциальное уравнение колебаний и прямо вывести, что максимум тока наступает через T/4T/4 от момента замыкания.

Поделиться этим Q&A