Logo
Logo

Трехфазный ток

A1  0.60 Линейное напряжение между выводами $a$ и $b$ можно представить в виде $\mathcal{E}_{ab} = \mathcal{E'_0} \cos \left(\omega t - \Delta \varphi \right)$, $\mathcal{E'_0} > 0$. Найдите $\mathcal{E'_0}$ и $ \Delta \varphi$. Выразите ответ через $\mathcal{E}_0$.

1 $\mathcal{E}_{ab} =\pm( \mathcal{E}_a - \mathcal{E}_b)$ 0.10
2 Формула для разности косинусов или использование комплексных амплитуд 0.20
3 $\mathcal{E}_0' = \sqrt{3} \mathcal{E}_0$ 0.15
4 $\Delta \varphi = - \dfrac{\pi}{6} \text{ или } \dfrac{5\pi}{6}$
0.15
A2  1.00 Пусть каждый из элементов нагрузки ($Z_a$, $Z_b$, $Z_c$) представляет собой последовательно соединенные резистор $R = 9~\text{кОм}$ и конденсатор $C= 2 \cdot 10^{-7}~\text{Ф}$. Найдите амплитуды тока через линейный провод $I_a$ и нулевой провод $I_0$ (формулу и численное значение).

1 Использование 2-го закона Кирхгофа для контуров 0.30
2 Использование 1-го закона Кирхгофа для узловых токов 0.10
3 $I_0 = 0$ 0.20
4 $I_a = \frac{\mathcal{E}_{0}}{\sqrt{\left(R + r \right)^2 + \frac{1}{(\omega C)^2}}}$ 0.30
5 $I_a \approx 14{,}6мА$ 0.10
A3  0.40 Найдите коэффициент полезного действия схемы из пункта $\mathrm{A}2$ $\eta$ (формулу и численное значение). Коэффициентом полезного действия считайте отношение средней мощности, выделяющейся на нагрузке, к средней мощности, выделяющейся во всей цепи.

1 $\langle P\rangle = \frac{1}{2}I^2R$ 0.15
2 $P_{пол} = \frac{3}{2}|\overline{I_a}|^2R$ 0.05
3 $P_{вся} = \frac{3}{2}|\overline{I_a}|^2(R + r)$ 0.05
4 $\eta = \frac{R}{R + r}$ 0.10
5 $\eta \approx 64{,}3\text%$ 0.05
A4  1.00 Пусть теперь нагрузка несимметричная: элементы $Z_b$ и $Z_c$ представляют собой резисторы с сопротивлением $R$, а элемент $Z_a$ – конденсатор с емкостью $С_1 = 10^{-9}~\text{Ф}$. Найдите численное значение коэффициента полезного действия схемы $\eta_1$ в этом случае. Получать аналитическое выражение для $\eta_1$ не требуется. Воспользуйтесь численными данными из пункта $A2$.

1 Обосновано, что током через конденсатор можно пренебречь, либо ток через конденсатор исключен из системы уравнений на токи 0.30
2 Записаны законы Кирхгофа 0.20
3 Найдено $\overline{I_0} = -\frac{\mathcal{E _0}}{R + 3r}$ или его амплитуда 0.10
4 Найдены токи $\overline{I_b} = \dfrac{\mathcal{E_0}}{R + r}\left(-\frac{\sqrt{3}}{2}i + \left(\frac{r}{R + 3r} - \frac{1}{2} \right)\right)$; $\overline{I_c} = \dfrac{\mathcal{E_0}}{R + r}\left(\frac{\sqrt{3}}{2}i + \left(\frac{r}{R + 3r} - \frac{1}{2} \right)\right)$ и/или их амплитуды 2 × 0.10
5 $\eta \approx 59{,}9\text%$ 0.20
B1  0.60 Пусть в одной из квадратных рамок со стороной $a$ в данный момент времени течет ток $I_0$. Найдите магнитное поле $B_0$ в центре квадрата, создаваемое только этой рамкой.

1 Записан закон Био-Савара-Лапласа (балл не ставится, если без доказательства используется формула для магнитного поля отрезка) 0.10
2 Выражение для поля малого фрагмента отрезка с током $dB_z = \frac{\mu_0I_0}{4\pi h}\cos(\alpha)d\alpha$ 0.20
3 Интегральное выражение для поля $B_z$ с верными пределами интегрирования ($\alpha_2 = -\alpha_1 = \frac{\pi}{4}$ или подобное) 0.10
4 Итоговый ответ для поля в центре квадрата $B_0 = 2\sqrt{2}\frac{\mu_0I_0}{\pi a}$ 0.20
5 Если найдено поле только от одной стороны квадрата (и ответ в 4 раза меньше) -0.10
B2  1.50 Будем теперь рассматривать поле, которое создают все три рамки, токи через которые указаны во введении. Докажите, что в этом случае магнитное поле вращается с постоянной угловой скоростью в плоскости $xy$, то есть его модуль постоянен и равен $B_1$, а угол с осью $x$ $\psi = \omega t + \psi_0$ (тогда $B_x = B_ 1 \cos \psi$, $B_y = B_1 \sin \psi$ ). Найдите $B_1$ и $\psi_0$. Выразите ответ через $B_0$.

1 Получены проекции поля от каждой из рамок на оси $Ox$ и $Oy$

При ошибке в знаке за пункт ставится половина баллов.
6 × 0.10
2 Выражение правильно преобразовано и получено явное выражение для проекций $B_x$ и $B_y$. 2 × 0.20
3 $B_1 = \frac{3}{2}B_0$ 0.35
4 $\psi_0 = 0$ 0.15
B3  0.40 Маленькая рамка в центре повернута так, что ее нормаль образует угол $\alpha$ с осью $x$. Найдите магнитный поток через нее в момент времени $t$. Выразите ответ через $B_1$, $S$, $\alpha$, $\omega$.

1 $\Phi =B_1S\cos\left(\alpha - \omega t\right)$ 0.40
B4  1.00 Пусть индуктивность рамки $L_2$, сопротивление $R_2$. Рамка вращается с постоянной угловой скоростью $\omega_1$, так что $\alpha = \omega_1 t$ ($0<\omega_1 < \omega$). В установившемся режиме ток в рамке зависит от времени как
$$
I(t) = A \cos \left( \omega_2 t - \varphi_2\right).
$$
Найдите $A$, $\omega_2$ и $\varphi_2$. Выразите ответ через параметры рамки, $B_1$, $\omega$, $\omega_1$.

1 ЭДС индукции $\mathcal{E} = -\dot{\Phi}$ 0.20
2 Закон Ома для рамки $-\dot{\Phi} = L_2\dot{I}+IR_2$ 0.20
3 Записано уравнение на $\overline{I}$ с помощью метода комплексных амплитуд, либо в уравнение для тока подставлена зависимость из условия 0.20
4 $A = \dfrac{B_1S(\omega - \omega_1)}{\sqrt{R_2^2 + (\omega - \omega_1)^2L_2^2}}$ 0.15
5 $\varphi_2 =\pi- \arctan\left(\frac{R_2}{(\omega - \omega_1) L_2}\right)$ 0.15
6 $\omega_2 = \omega - \omega_1$ 0.10
B5  1.50 Для того, чтобы обеспечить более равномерное вращение ротора, вместо одной рамки будем использовать три рамки, повернутых друг относительно друга на $120^\circ$ вокруг оси $z$ (то есть если положение одной рамки задается углом $\alpha$, положения остальных рамок задаются углами $\alpha_2 = \alpha + 2\pi/3$, $\alpha_3 = \alpha + 4\pi/3$). Рамки изолированы друг от друга, их взаимной индукцией можно пренебречь. Докажите, что проекция на ось $z$ момент сил, действующий на конструкцию из трех рамок, постоянен. Найдите ее величину $M_z$. Выразите ответ через параметры рамки, $B_1$, $\omega$, $\omega_1$.

1 Замечено (явно или неявно), что токи в рамках различаются по фазе на $\pm2\pi/3$ 0.20
2 $m = IS$ (балл также ставится, если получено верное выражение для момента сил $M_{iz} = ISB_1\sin(\psi - \alpha_i)$) 0.10
3 $\vec {M_i} = [\vec{m_i} \times \vec {B}]$ (балл также ставится, если получено верное выражение для момента сил $M_{iz} = ISB_1\sin(\psi - \alpha_i)$) 0.20
4 Получена проекция $\vec{M}$ на $Oz$ с верным знаком 0.10
5 Записано общее выражение для $M_z(t)$
0.20
6 Доказано, что $M_z = const.$ 0.30
7 Подстановкой $A$ и $\varphi_2$ получен ответ (без учета знака) $M_z = \dfrac{3}{2}B_1^2S^2\dfrac{(\omega - \omega_1)R_2}{(\omega - \omega_1)^2L_2^2 + R_2^2}$ 0.40
8 Ошибка в численном коэффициенте -0.20
B6  1.00 Постройте качественный график зависимости $M _z(\omega_1)$ в диапазоне частот $0 < \omega_1 < \omega$. Укажите координаты характерных точек. Считайте, что $R_2/L_2 < \omega$.

1 На рисунке подписаны оси, указано начало координат 0.10
2 Правильный характер графика ($M$ сначала возрастает, затем убывает) 0.20
3 $\omega_{1max} = \omega - \frac{R_2}{L_2}$ 0.30
4 $M_{max} = \frac{3}{4}\frac{B_1^2 S^2}{L_2}$ 0.20
5 $M_0 = \frac{3}{2}B_1^2S^2\frac{\omega R_2}{\omega^2L_2^2 + R_2^2}$ 0.10
6 $M(\omega) = 0$ 0.10