Logo
Logo

1.2

1  3.00 Найдите сопротивление утечки $r_{C}$ конденсатора и его емкость $C$.

Эквивалентная схема моста показана на рисунке ниже, на котором учтено, что эквивалентная схема неидеальной индуктивности — это последовательно соединенные идеальная катушка $L$ и резистор $r_{L}$; эквивалентная схема конденсатора с утечкой — это резистор $r_{C}$ параллельно подсоединённый к идеальному конденсатору $C$.

Решение 1. Условие баланса моста в комплексных числах записывается в виде

$$Z_{L}Z_{C}=R_{1}R_{2},$$

где импедансы равны соответственно

$$Z_{L}=r_{L}+i\omega L$$

и 
$$Z_{C}=\frac{r_{C}}{1+i\omega Cr_{C}}$$

После преобразований из выражений выше получаем:

$$i\omega(L-R_{1}R_{2}C)=r_{L}-\frac{R_{1}R_{2}}{r_{C}}.$$

При изменении частоты это равенство не нарушается, если обе части уравнения равны нулю, поэтому

$$C=\frac{L}{R_{1}R_{2}}=0.5~мкФ, \\ r_{C}=\frac{R_{1}R_{2}}{r_{L}}=2~МОм.$$

Решение 2. Пусть напряжение на конденсаторе равно

$$U_{C}=U_{0}\cos\omega t,$$

тогда через него протекает ток

$$I_{C}=-CU_{0}\omega\sin\omega t,$$

а ток через его сопротивление утечки составляет

$$I_{r_{C}}=\frac{U_{0}\cos\omega t}{r_{C}}.$$

Полный ток через плечо, содержащее конденсатор, равен

$$I_{1}=I_{C}+I_{r_{C}},$$

а так как мост сбалансирован, то такой же ток идёт через сопротивление $R_1$, поэтому

$$U_{R_{1}}=I_{1}R_{1}.$$

С другой стороны, это напряжение равно падению напряжения на плече с индуктивностью

$$U_{L}=U_{R_{1}},$$

для которой падение напряжения определяется выражением

$$U_{L}=L\frac{dI_{2}}{dt}+I_{2}r_{L},$$

в котором ток определяется уравнением баланса

$$I_{2}=I_{R_{2}}=\frac{U_{C}}{R_{2}},$$

так как

$$U_{R_{2}}=U_{C}.$$

Собирая совместно уравнения выше, получаем

$$\left(-\frac{\omega L}{R_{2}}+C\omega R_{1}\right)U_{0}\sin \omega t=\left(\frac{R_{1}}{r_{C}}-\frac{r_{L}}{R_{2}}\right)U_{0}\cos\omega t.$$

Из этого равенства видно, что условие баланса, независящего от частоты, выполняется, если обе части уравнения равны нулю, то есть получаем ответ

$$C=\frac{L}{R_{1}R_{2}}=0.5~мкФ, \\ r_{C}=\frac{R_{1}R_{2}}{r_{L}}=2~МОм.$$

Ответ: $$
C=\frac{L}{R_{1}R_{2}}=0.5~мкФ, \\
r_{C}=\frac{R_{1}R_{2}}{r_{L}}=2~МОм.
$$