Szerk
P. 5639. A mellékelt kapcsolási rajznak megfelelően összeállított áramkörben a feszültségforrás elektromotoros ereje \(\displaystyle 6~\mathrm{V}\), belső ellenállásának nagysága \(\displaystyle 2~\Omega\). Az ideális tekercs önindukciós együtthatója \(\displaystyle 1{,}5~\mathrm{H}\), az \(\displaystyle R\) ellenállás pedig \(\displaystyle 1000~\Omega\) nagyságú. Kezdetben a kapcsoló zárva van.
a) Mekkora töltés áramlik át az \(\displaystyle R\) ellenálláson a kapcsoló kinyitása után?
b) Mennyi hő fejlődik az \(\displaystyle R\) ellenálláson ezalatt?
(5 pont)
Tornyai Sándor fizikaverseny nyomán, Hódmezővásárhely
I. megoldás. Kezdetben az \(\displaystyle R\) ellenálláson nem folyik áram, mert a kapcsoló zárása után hosszú idővel, állandósult állapotban az ideális tekercs rövidzárként viselkedik (1. ábra).
Ez alapján a tekercsen átfolyó áram:
\(\displaystyle I_0=\frac{U_0}{R_\mathrm{b}}=3~\mathrm{A}. \)
a) A kapcsoló nyitása után (2. ábra) a tekercs árama nem változhat ugrásszerűen, így a \(\displaystyle t=0\) időpillanatban az \(\displaystyle RL\)-körben \(\displaystyle I_0\) áram folyik. Ezután egy ideig a tekercs feszültségforrásként viselkedik, és áramot hajt át az \(\displaystyle R\) ellenálláson:
\(\displaystyle U_\mathrm{i}=-L\frac{\Delta I}{\Delta t}=RI. \)
Rövid idő alatt az ellenálláson \(\displaystyle \Delta q=I\Delta t\) töltés áramlik át, így az előző kifejezés alapján:
\(\displaystyle \Delta q=-\frac{L}{R}\Delta I. \)
A lecsengés teljes idejére mindkét oldalt összegezve:
\(\displaystyle q=\sum\Delta q=-\frac{L}{R}\sum\Delta I=\frac{L}{R}I_0=\frac{LU_0}{RR_\mathrm{b}}=4{,}5~\mathrm{mC}. \)
b) Az \(\displaystyle R\) ellenálláson annyi hő fejlődik, amekkora a kapcsoló nyitásának pillanatában a tekercsben lévő mágneses tér energiája volt:
\(\displaystyle Q=E_\mathrm{m}=\frac{1}{2}LI_0^2=\frac{1}{2}L\frac{U_0^2}{R_\mathrm{b}^2}=6{,}75~\mathrm{J}. \)
Bélteki Teó (Hódmezővásárhely, Bethlen G. Ref. Gimn., 11. évf.)
II. megoldás. a) Az előző megoldás jelöléseit használva a kapcsoló nyitása után az áram időbeli változását leíró differenciálegyenlet:
\(\displaystyle \frac{\mathrm{d}I(t)}{\mathrm{d}t}=-\frac{R}{L}I(t). \)
Ez ugyanolyan alakú, mint a radioaktív bomlást leíró egyenlet, így a megoldása is ugyanolyan:
\(\displaystyle I(t)=I_0\mathrm{e}^{-\frac{R}{L}t}. \)
Az \(\displaystyle R\) ellenálláson kicsiny \(\displaystyle \mathrm{d}t\) idő alatt \(\displaystyle \mathrm{d}q=I\mathrm{d}t\) töltés áramlik át, így a teljes átáramló töltés:
\(\displaystyle q=\int\limits_0^\infty I\mathrm{d}t=I_0\int\limits_0^\infty\mathrm{e}^{-\frac{R}{L}t}\mathrm{d}t=-I_0\frac{L}{R}\left[\mathrm{e}^{-\frac{R}{L}t}\right]_0^\infty=\frac{L}{R}I_0=4{,}5~\mathrm{mC}. \)
b) Kicsiny idő alatt az \(\displaystyle R\) ellenálláson \(\displaystyle \mathrm{d}Q=R\left[I(t)\right]^2\mathrm{d}t\) hő disszipálódik. A teljes disszipálódó hőt megkaphatjuk ennek integrálásával is:
\(\displaystyle Q=\int\limits_0^\infty R\left[I(t)\right]^2\mathrm{d}t=RI_0^2\int\limits_0^\infty\mathrm{e}^{-\frac{2R}{L}t}\mathrm{d}t=-\frac{1}{2}LI_0^2\left[\mathrm{e}^{-\frac{2R}{L}t}\right]_0^\infty=\frac{1}{2}LI_0^2=6{,}75~\mathrm{J}. \)
Erdélyi Dominik (Budapesti Fazekas M. Gyak. Ált. Isk. és Gimn., 11. évf.)
Megjegyzés. A ,,végtelen'' ideig tartó összegzés furcsának tűnhet, de valójában a lecsengés a \(\displaystyle \tau=\tfrac{L}{R}=1{,}5~\mathrm{ms}\) időállandó tízszerese (tehát 15 ezredmásodperc) alatt lényegében lejátszódik.
22 dolgozat érkezett. Helyes 13 megoldás. Kicsit hiányos (4 pont) 4, hiányos (2–3 pont) 4, hibás 1 dolgozat.
A KöMaL kiadásának, a versenyek teljes lebonyolításának, díjazásának és a díjkiosztóval egybekötött Ifjúsági Ankétok szervezésének költségeit 2007 óta a MATFUND Középiskolai Matematikai és Fizikai Alapítvány fizeti.
Kérjük, személyi jövedelemadója 1%-ának felajánlásával álljon a több, mint 125 éve alapított Középiskolai Matematikai és Fizikai Lapok mellé!
M. 445. Mérjük meg, hogy egy adott granuláris anyagnak (pl. rizs, gersli stb.) mekkora a térkitöltése! Mennyire függ ez a rendszer preparálásától (pl.: tömörítés, rázogatás stb.)?
Közli: Széchenyi Gábor, Budapest
P. 5691. Határozzuk meg egy vékony, \(\displaystyle m\) tömegű, homogén tömegeloszlású, \(\displaystyle a\) oldalú szabályos háromszög alakú lemez tehetetlenségi nyomatékát az egyik csúcsán áthaladó tengelyre vonatkozóan, ha az
a) a háromszög síkjára merőleges,
b) a magasságvonal,
c) az előző két tengelyre merőleges.
Közli: Zsigri Ferenc, Budapest
G. 912. Az ábrán látható áramkörben kezdetben a kapcsoló nyitva van.
a) Mekkora áramok folynak az áramkör ellenállásain és a telepeken a kapcsoló zárása előtt és után?
b) Mekkora áramok folynak, ha a kapcsoló melletti feszültségforrás polaritását megfordítjuk?