Logo
Logo

Нелинейная динамика в электрических цепях

A1  0.40 С помощью графика определите сопротивление $R_{\text{on}}$ элемента $\mathrm X$ на верхней ветви вольт-амперной характеристики и $R_{\text{off}}$ на нижней ветви соответственно. Средняя ветвь описывается уравнением \begin{equation} I = I_0 - \frac{U}{R_{\text{int}}}. \end{equation}Найдите значения параметров $I_0$ и $R_{\text{int}}$.

1 $R_{\text{off}} = 10.0 \, \Omega$ 0.10
2 $R_{\text{on}} = 1.00 \, \Omega$ 0.10
3 $R_{\text{int}} = 2.00 \, \Omega$ 0.10
4 $I_0 = 6.00~А$ 0.10
A2  1.00 Сколько возможных стационарных состояний может иметь электрическая цепь, изображенная на рисунке 2, при некотором заданном значении $\mathcal{E}$ и при $R = 3.00~\Omega$? Каким будет ответ при $R = 1.00~\Omega$?

1 $\mathcal{E} = I R + U$ 0.10
2 $I = \frac{\mathcal{E} - U}{R}$ 0.10
3 Состояниям равновесия соответствуют пересечениям нагрузочной прямой с ВАХ 0.20
4 Ответ: При $R = 3.00 \, \Omega$ всегда ровно одно пересечение 0.20
5 Ответ: При $R = 1.00 \, \Omega$ получается ... пересечений в зависимости от $\mathcal{E}$ 0.40
6 Ответ: 1, 2, 3 пересечения 0.40
7 Ответ: 3 пересечения 0.20
8 Ответ: 2, 3 пересечения 0.20
9 Ответ: 1, 3 пересечения 0.30
A3  0.60 Пусть в электрической цепи, показанной на рисунке 2, $R = 3.00~\Omega$, $L = 1.00~мкГн$ и $\mathcal{E} = 15.0~В$. Определите значения сила тока $I_{\text{stationary}}$ и напряжения $V_{\text{stationary}}$ на нелинейном элементе $X$ в стационарном состоянии.

1 Стационарное состояние находится на промежуточной ветви 0.20
2 $I_{\text{stationary}} = \frac{\mathcal{E} - R_{\text{int}} I_0}{R - R_{\text{int}}}$ 0.10
3 $I_{\text{stationary}} = 3.00$ A 0.10
4 $U_{\text{stationary}} = R_{\text{int}} \left( I_0 - I \right)$ 0.10
5 $U_{\text{stationary}} = 6.00$ В 0.10
6 Штраф за не физичные стационарные состояния (на верхней или нижней ветках) -0.20
A4  1.00 Используйте численные значения заданные в А3 и изучите стабильность стационарного состояния с $I(t) = I_{\text{stationary}}$. Является ли стационарное состояние устойчивым или неустойчивым?

1 Правильная модель 0.50
2 При $I > I_{\text{stationary}}$ $dI/dt < 0$ и $I$ уменьшается 0.20
3 При $I < I_{\text{stationary}}$ $dI/dt > 0$ и $I$ увеличивается 0.20
4 Ответ: равновесие стабильное 0.10
B1  1.80 Нарисуйте цикл одного колебания на вольт-амперной характеристике, в том числе, укажите направление колебания (по часовой или против часовой стрелки). Обоснуйте свой ответ с помощью уравнений и схем.

1 Верхняя ветвь входит в цикл 0.20
2 Нижняя ветвь входит в цикл 0.20
3 Скачки вертикальные (при постоянном $U$) 0.20
4 Скачки расположены при $U_h$ и $U_{th}$ 0.20
5 Система двигается влево на верхней ветке 0.20
6 Система двигается вправо на нижней ветке 0.20
7 По 0.2 балла, но не суммарно больше 0.6, за каждое из следующих наблюдений: $U$ постоянно во время скачков, т.к. заряд на конденсаторе не может измениться мгновенно Промежуточная ветвь не может быть частью цикла, т.к. на ней есть положение равновесия В углах графика $I(U)$ происходят скачки, т.к. системе больше некуда двигаться Система движется влево на верхней ветви, т.к. она стремится к положению равновесия (или объяснение через закон Кирхгофа) Система движется вправо на нижней ветви, т.к. она стремится к положению равновесия (или объяснение через закон Кирхгофа) 3 × 0.20
B2  1.90 Найдите формулы для времён $t_1$ и $t_2$, в течение которых система находится на каждой из ветвей вольт-амперной характеристики во время периода колебаний. Определите их численные значения. Найдите численное значение периода колебаний $T$, полагая, что временем, необходимым для скачкообразного перехода между ветвями вольт-амперной характеристики, можно пренебречь.

1 Закон Кирхгофа: $R_{\text{on/off}} R C \frac{dI_X}{dt} = \mathcal{E} - \left(R_{\text{on/off}}+R\right) I_X$ 0.50
2 $U_X(t) = \frac{R_{\text{on/off}}}{R_{\text{on/off}}+R} \mathcal{E} + \left(U_{\text{on/off}} - \frac{R_{\text{on/off}}}{R_{\text{on/off}} + R} \mathcal{E} \right) e^{-\frac{R_{\text{on/off}}+R}{R_{\text{on/off}} R C} t}$
3 Правильный показатель экспоненты 0.20
4 Правильная константа (при $t\to\infty$) 0.10
5 Правильный коэффициент перед экспонентой 0.10
6 Правильное уравнение на $U_X(t)$ 0.10
7 $t_{\text{on}} = \frac{R_{\text{on}} R}{R_{\text{on}} + R} C \ln \left( \frac{U_{\text{th}} - U_{\text{on}}}{U_{\text{h}} - U_{\text{on}}} \right)$ 0.30
8 $t_{\text{on}} = 2.41 \cdot 10^{-6}$ с 0.10
9 $t_{\text{off}} = \frac{R_{\text{off}} R}{R_{\text{off}} + R} C \ln \left( \frac{U_{\text{off}} - U_{\text{h}}}{U_{\text{off}} - U_{\text{th}}} \right)$ 0.30
10 $t_{\text{off}} = 3.71 \cdot 10^{-6}$ с 0.10
11 $T = t_{\text{on}} + t_{\text{off}} = 6.12\cdot10^{-6}$ с 0.10
B3  0.70 Оцените среднюю мощность $P$, рассеянную нелинейным элементом в течение одного колебания. Достаточно привести порядок величины.

1 M1 Аналитический ответ + численный ответ в отрезке $5~Вт \leq P \leq 50~Вт$ 0.70
2 M2 Аналитический ответ + численный ответ в промежутке $1~Вт \leq P \leq 100~Вт$ 0.50
3 M3 Численный ответ не попадает в ворота, но адекватный аналитический ответ 0.40
B4  0.60 Каково оптимальное значение $s$, если считать, что оно не может быть больше $1~ км$?

1 M1 $\lambda = c T = 1.82\cdot10^3$ м 0.20
2 M1 Оптимальная длина равна $\lambda/4$ (или $3\lambda/4$, $5\lambda/4$ и т.д.) 0.30
3 M1 Только $\lambda/4=459$ м меньше км 0.10
4 M2 Ответ: $c T /2 = 918$ м 0.40
C1  1.20 Схематически нарисуйте графики временной зависимости тока $I_\mathrm X(t)$ через нелинейный элемент $\mathrm X$ для $\tau < \tau_{\text{crit}}$ и для $\tau > \tau_{\text{crit}}$.

1
2
3 1. Система движется к новому положению равновесия 0.20
4 2. Система возвращается к начальному положению равновесия 0.20
5 3. Система движется к новому положению равновесия 0.10
6 4. Система перескакивает на верхнюю ветвь (при $t < t_0+\tau$) 0.20
7 5. Система движется по верхней ветви 0.20
8 6. Скачок на нижнюю ветвь (ниже старого положения равновесия) 0.10
9 7. Возвращение к начальному положению равновесия (снизу) 0.20
C2  0.60 Найдите выражение для критического времени $\tau_{\text{crit}}$ и его численное значение, при котором происходит изменение поведения системы.

1 $\tau_{\text{crit}} = \frac{R_{\text{off}} R}{R_{\text{off}} + R} C \ln \left( \frac{U_{\text{off}} - \tilde{U}}{U_{\text{off}} - U_{\text{th}}} \right) = 9.36 \cdot 10^{-7}$ с
2 Правильный множитель перед экспонентой 0.20
3 Правильный выбор напряжений 0.20
4 Правильная формула 0.10
5 Численный ответ 0.10
C3  0.20 Является ли схема нейристором при $\tau = 1.00 \cdot 10^{-6}~с$?

1 Ответ: Да 0.20