6.4.9. Определите емкость систем конденсаторов, изображенных на рисунке.
Решение
В общем случае ёмкость системы конденсаторов равна: $$C_{total}=\frac{q_{total}}{U_{total}}$$ $а.$При последовательном соединении конденсаторов ток через них одинаков, значит, заряды на них в любой момент времени одинаковы. Тогда для $n$ последовательно соединённых конденсаторов: $$q_{total}=q_1=q_2=...=q_n$$ $$U_{total}=\sum_{i=1}^n U_i=\sum_{i=1}^n\frac{q_{total}}{C_i}$$ $$\frac{1}{C_{total}}=\frac{U_{total}}{q_{total}}=\sum_{i=1}^n\frac{1}{C_i}$$ В нашем случае: $$\frac{1}{C}=\frac{1}{C_1}+\frac{1}{C_2}$$ $$C=\frac{C_1C_2}{C_1+C_2}$$ При параллельном соединении конденсаторов напряжение на них одинаково. Тогда $$U_{total}=U_1=U_2=...=U_n$$ $$q_{total}=\sum_{i=1}^n q_i=\sum_{i=1}^n U_{total}C_i$$ $$C_{total}=\frac{q_{total}}{U_{total}}=\sum_{i=1}^nC_i$$ В нашем случае: $$C=C_1=C_2$$ $б.$ Из симметриии цепи можно заметить, потенциалы на концах "мостика" одинаковы, значит, напряжение и заряд на конденсаторе на "мостике" равны 0 и он не вносит вклад в общую ёмкость. Исключая мостик, получим цепь, являющуюся комбинацией рассмотренных в пункте $а.$ случаев. $$C'=\frac{2C\cdot C}{2C+C}=\frac{2}{3}C$$ $$C_{total}=2C'=\frac{4}{3}C$$ $в.$
Тут цепь уже не симметрична, и "выкинуть" мостик не получится. Такие цепи обычно рассчитываются с помощью правил Кирхгофа.
Но через заряженные конденсаторы ток не течёт, поэтому первое правило Кирхгофа необходимо переформулировать: сумма зарядов, поступающих в узел, должна быть равна сумме зарядов, выходящих из него за определенный промежуток времени.
Уравнения для 1 правила:
\begin{cases}
q_{total}=q_1+q_2\\
q_1=q_3+q_4 \\
q_2+q_3=q_5
\end{cases}
Для 2 правила:
\begin{cases}
\frac{q_1}{C}+\frac{q_3}{C}=\frac{q_2}{2C}\\
\frac{q_4}{2C}=\frac{q_3}{C}+\frac{q_5}{C}\\
\frac{q_2}{2C}+\frac{q_5}{C}=U_{total}
\end{cases}
Решая систему из этих уравнений получим: $$C_{total}=\frac{q_{total}}{U_{total}}=\frac{7}{5}C$$ г$г.$ Идея решения бесконечных цепей такая: при добавлении к бесконечной цепочке ещё одного звена она останется бесконечной, значит, её общая ёмкость не поменяется.
$$\frac{C(C_{total}+C)}{C_{total}+2C}=C_{total}$$$$C_{total}^2+C_{total}C-C^2=0$$
Решая это квадратное уравнение и выбирая положительный корень, получим:
$$C_{total}=\frac{\sqrt{5}-1}{2}C$$д$д.$
Из симметрии нетрудно заметить, что некоторые узлы куба имеют одинаковые потенциалы:
Эти узлы мы можем соединить, не изменив цепь:
Все конденсаторы имеют ёмкость $C$
Используя результаты пункта а$а.$ можно упростить цепь и в итоге получить: $$\frac{1}{C_{total}}=\frac{1}{3C}+\frac{1}{6C}+\frac{1}{3C}$$ $$C_{total}=\frac{6}{5}C$$