сайты - меню - вход - но­во­сти


Задания
Версия для печати и копирования в MS Word
Тип 0 № 2475
i

Бес­ко­неч­ная элек­три­че­ская це­поч­ка, изоб­ра­жен­ная на ри­сун­ке внизу слева, со­сто­ит из оди­на­ко­вых со­про­тив­ле­ний R и эле­мен­тов D. Вольт−ам­пер­ная ха­рак­те­ри­сти­ка эле­мен­та D по­ка­за­на на ри­сун­ке спра­ва. Если на эле­мент по­дать на­пря­же­ние мень­ше, чем U0, то он не про­пус­ка­ет ток. В про­тив­ном слу­чае  — ток течет «по стрел­ке», при этом на эле­мен­те па­да­ет на­пря­же­ние U0. На схему по­да­ли на­пря­же­ние между точ­ка­ми A и B и из­ме­ри­ли ток на участ­ке A1A2. Он ока­зал­ся равен 2021 дробь: чис­ли­тель: U_0, зна­ме­на­тель: R конец дроби . Опре­де­ли­те, через сколь­ко эле­мен­тов D течет ток.

Спрятать решение

Ре­ше­ние.

Для того чтобы эле­мент D «от­крыл­ся», и по нему начал про­те­кать ток, не­об­хо­ди­мо при­ло­жить на­пря­же­ние U_0. В за­ви­си­мо­сти от на­пря­же­ния U, при­ло­жен­но­го между точ­ка­ми A и B в схеме может быть «от­кры­то» раз­ное ко­ли­че­ство эле­мен­тов. Рас­смот­рим си­ту­а­цию, когда в схеме «от­кры­то» n вер­ти­каль­ных эле­мен­тов. Обо­зна­чим токи через пер­вый ре­зи­стор и го­ри­зон­таль­ные эле­мен­ты так, как это по­ка­за­но на Рис. 5, от­ме­тим, что все токи долж­ны быть по­ло­жи­тель­ны. Тогда по пер­во­му за­ко­ну Кирх­го­фа токи через вер­ти­каль­ные участ­ки схемы, если пе­ре­чис­лять их слева на­пра­во, равны I_1 минус I_2, I_2 минус I_3, I_3 минус I_4, \ldots, I_n минус 2 минус I_n минус 1, I_n минус 1 минус I_n и I_n.

Со­ста­вим си­сте­му урав­не­ний для токов I_k с k=1 \ldots n. Для этого при­рав­ня­ем на­пря­же­ния на участ­ках AB и AA_1B_1B, A_1B_1 и A_1A_2B_2B_1, \ldots, A_n минус 1 B_n минус 1 и A_n минус 1A_nB_nB_n минус 1:

U=I_1 R плюс U_0 плюс левая круг­лая скоб­ка I_1 минус I_2 пра­вая круг­лая скоб­ка R,

U_0 плюс левая круг­лая скоб­ка I_1 минус I_2 пра­вая круг­лая скоб­ка R=U_0 плюс U_0 плюс левая круг­лая скоб­ка I_2 минус I_3 пра­вая круг­лая скоб­ка R,

U_0 плюс левая круг­лая скоб­ка I_2 минус I_3 пра­вая круг­лая скоб­ка R=U_0 плюс U_0 плюс левая круг­лая скоб­ка I_3 минус I_4 пра­вая круг­лая скоб­ка R,

.......................................................

U_0 плюс левая круг­лая скоб­ка I_n минус 2 минус I_n минус 1 пра­вая круг­лая скоб­ка R=U_0 плюс U_0 плюс левая круг­лая скоб­ка I_n минус 1 минус I_n пра­вая круг­лая скоб­ка R,

U_0 плюс левая круг­лая скоб­ка I_n минус 1 минус I_n пра­вая круг­лая скоб­ка R=U_0 плюс U_0 плюс I_n R,

После со­кра­ще­ния общих вкла­дов дан­ную си­сте­му удоб­но пе­ре­пи­сать в сле­ду­ю­щем виде:

 дробь: чис­ли­тель: U_0 минус U, зна­ме­на­тель: R конец дроби = минус 2 I_1 плюс I_2,

 дробь: чис­ли­тель: U_0, зна­ме­на­тель: R конец дроби =I_1 минус 2 I_2 плюс I_3,

 дробь: чис­ли­тель: U_0, зна­ме­на­тель: R конец дроби =I_2 минус 2 I_3 плюс I_4,

......................................................

 дробь: чис­ли­тель: U_0, зна­ме­на­тель: R конец дроби =I_n минус 2 минус 2I_n минус 1 плюс I_n,

 дробь: чис­ли­тель: U_0, зна­ме­на­тель: R конец дроби =I_n минус 1 минус 2I_n.

Ис­поль­зуя по­лу­чен­ные урав­не­ния и счи­тая, что на­пря­же­ние U из­вест­но, можно найти все токи в общем слу­чае. Од­на­ко вме­сто этого мы рас­смот­рим по­гра­нич­ную си­ту­а­цию, когда два эле­мен­та D на участ­ке A_n минус 1A_n B_n толь­ко «от­кры­ва­ют­ся», при этом ток через них равен нулю: I_n=0. В этом слу­чае си­сте­ма зна­чи­тель­но упро­ща­ет­ся, и мы по­лу­ча­ем ре­кур­рент­ное со­от­но­ше­ние для токов

 I_n=0, \quad I_n минус 1= дробь: чис­ли­тель: U_0, зна­ме­на­тель: R конец дроби , \quad I_n минус k= дробь: чис­ли­тель: U_0, зна­ме­на­тель: R конец дроби плюс 2 I_n минус k плюс 1 минус I_n минус k плюс 2. \qquad левая круг­лая скоб­ка 34 пра­вая круг­лая скоб­ка

По­счи­тав пер­вые не­сколь­ко токов,

I_n минус 2= дробь: чис­ли­тель: 3 U_0, зна­ме­на­тель: R конец дроби , I_n минус 3= дробь: чис­ли­тель: 6 U_0, зна­ме­на­тель: R конец дроби , I_n минус 4= дробь: чис­ли­тель: 10 U_0, зна­ме­на­тель: R конец дроби ,

легко уга­дать вид об­ще­го ре­ше­ния:

 I_n минус k в сте­пе­ни левая круг­лая скоб­ка левая круг­лая скоб­ка n пра­вая круг­лая скоб­ка пра­вая круг­лая скоб­ка = левая круг­лая скоб­ка 1 плюс 2 плюс \ldots плюс k пра­вая круг­лая скоб­ка дробь: чис­ли­тель: U_0, зна­ме­на­тель: R конец дроби = дробь: чис­ли­тель: левая круг­лая скоб­ка 1 плюс k пра­вая круг­лая скоб­ка k, зна­ме­на­тель: 2 конец дроби дробь: чис­ли­тель: U_0, зна­ме­на­тель: R конец дроби . \qquad левая круг­лая скоб­ка 35 пра­вая круг­лая скоб­ка

Под­ста­вив  левая круг­лая скоб­ка 35 пра­вая круг­лая скоб­ка в (34), убеж­да­ем­ся в пра­виль­но­сти най­ден­ной фор­му­лы. Мы до­ба­ви­ли ин­декс ( n ), чтобы под­черк­нуть, что со­от­вет­ству­ю­щие ре­ше­ния от­но­сят­ся к си­ту­а­ции, когда «от­кры­ва­ет­ся» уча­сток A_n минус 1A_nB_n. Вос­поль­зо­вав­шись фор­му­лой (35), най­дем, какой ток течет на участ­ке A_1A_2. При k=n минус 2 имеем

 I_2 в сте­пе­ни левая круг­лая скоб­ка левая круг­лая скоб­ка n пра­вая круг­лая скоб­ка пра­вая круг­лая скоб­ка = дробь: чис­ли­тель: левая круг­лая скоб­ка n минус 1 пра­вая круг­лая скоб­ка левая круг­лая скоб­ка n минус 2 пра­вая круг­лая скоб­ка , зна­ме­на­тель: 2 конец дроби дробь: чис­ли­тель: U_0, зна­ме­на­тель: R конец дроби . \qquad левая круг­лая скоб­ка 36 пра­вая круг­лая скоб­ка

Когда от­кры­ва­ют­ся сле­ду­ю­щие два эле­мен­та с участ­ка A_nA_n плюс 1B_n плюс 1, ток I_2 ста­но­вит­ся равен (за­ме­ня­ем n arrow n плюс 1 в (36)):

 I_2 в сте­пе­ни левая круг­лая скоб­ка левая круг­лая скоб­ка n плюс 1 пра­вая круг­лая скоб­ка пра­вая круг­лая скоб­ка = дробь: чис­ли­тель: n левая круг­лая скоб­ка n минус 1 пра­вая круг­лая скоб­ка , зна­ме­на­тель: 2 конец дроби дробь: чис­ли­тель: U_0, зна­ме­на­тель: R конец дроби . \qquad левая круг­лая скоб­ка 37 пра­вая круг­лая скоб­ка

По усло­вию ток на участ­ке A_1A_2 равен I_2=2021 дробь: чис­ли­тель: U_0, зна­ме­на­тель: R конец дроби . Най­дем, при каком n ток

I_2 при­над­ле­жит левая квад­рат­ная скоб­ка I_2 в сте­пе­ни левая круг­лая скоб­ка левая круг­лая скоб­ка n пра­вая круг­лая скоб­ка пра­вая круг­лая скоб­ка , I_2 в сте­пе­ни левая круг­лая скоб­ка левая круг­лая скоб­ка n плюс 1 пра­вая круг­лая скоб­ка пра­вая круг­лая скоб­ка пра­вая квад­рат­ная скоб­ка .

Проще всего это сде­лать, фор­маль­но рас­смат­ри­вая n как про­из­воль­ное по­ло­жи­тель­ное ве­ще­ствен­ное число и решая урав­не­ние

 дробь: чис­ли­тель: левая круг­лая скоб­ка n минус 1 пра­вая круг­лая скоб­ка левая круг­лая скоб­ка n минус 2 пра­вая круг­лая скоб­ка , зна­ме­на­тель: 2 конец дроби =2021 \quad \Rightarrow \quad n= дробь: чис­ли­тель: 3 плюс ко­рень из: на­ча­ло ар­гу­мен­та: 16169 конец ар­гу­мен­та , зна­ме­на­тель: 2 конец дроби \approx 65,1. \qquad левая круг­лая скоб­ка 38 пра­вая круг­лая скоб­ка

Таким об­ра­зом, когда на участ­ке A_1A_2 ток равен I_2=2021 дробь: чис­ли­тель: U_0, зна­ме­на­тель: R конец дроби , «от­кры­ты» (и через них течет не­ну­ле­вой ток) все эле­мен­ты D вплоть до участ­ка A_64A_65B_65. Сле­до­ва­тель­но, ток течет через N=2n минус 1=129 эле­мен­тов D.

 

Ответ: 129.

Классификатор: Элек­тро­ди­на­ми­ка. Элек­три­че­ские цепи с ди­о­да­ми