11.4.7. В изображенной на рисунке цепи конденсатор емкости $C$ заряжен до напряжения $V_0$. Сначала замыкают ключ $K_1$. В момент, когда ток через катушку индуктивности $L$ достигает своего максимального значения, замыкают ключ $K_2$ и размыкают ключ $K_1$. Каким оказывается наибольшее значение напряжения на сопротивлении $R$?
К задаче $11.4.7$
Решение
После замыкания ключа $\boldsymbol{K_1}$
Второе правило Кирхгофа для $LC$-контура:
$$L\frac{di}{dt}+\frac{q}{C}=0$$
или, с учетом $i=dq/dt$ и перестановки в этой формуле:
$$\frac{d^2i}{dt^2}+\frac{1}{LC}i=0.$$
Это дифференциальное уравнение вида $\ddot x+\omega^2x=0$, описывающее гармонические колебания. Его решением является функция:
$$i=I_\text{max}\cos(\omega t+\varphi).$$
где $I_\text{max}$ есть амплитуда тока, $\omega=\dfrac{1}{\sqrt{LC}}$,$\varphi$ есть начальная фаза.
Начальную фазу $\varphi$ определим из начального момента времени, с учетом того, что ток в катушке в момент коммутации ключа $K_1$ не может измениться, как говорят, скачком:
$$0=I_\text{max}\cos(\omega\cdot0+\varphi),$$
откуда видим: $\varphi=\dfrac{\pi}{2}$, так что решение указанного дифф. уравнения можно записать короче:
$$i=-I_\text{max}\sin(\omega t),\tag{1}$$
Для определения максимума $I_\text{max}$ тока проинтегрируем по времени формулу $(1)$, то есть найдем закон изменения заряда конденсатора:
После замыкания $\boldsymbol{K_2}$ и размыкания $\boldsymbol{K_1}$
Второе правило Кирхгофа для $RL$-контура:
$$L\frac{di}{dt}+iR=0.$$
Решением этого дифф. уравнения является функция с экспонентой [1], по которой ток убывает со временем:
$$i=i_0e^{-\tfrac{R}{L}t},$$
где $i_0$ есть ток в $RL$-контуре в начальный момент времени; при этом $i_0=I_\text{max}=\omega CV_0$, так как ток катушки при переключениях не меняется.
Значит, напряжение на резисторе убывает по закону: