请用正常数学符号回答以下问题。图示电路中开关处于断开状态,在换路前已经达到稳态,U等于60V,R1等于10欧姆,R2等于5欧姆,C1等于2F,C2等于1F,L等于1H 。t等于0时闭合开关,求开关支路电流的初值。图片链接为:https://postimg.cc/svXCp1LT
时间: 2023-07-15 19:12:40 浏览: 34
根据电路图,可以将电路拆分为两个部分:左边为一个 RC 电路,右边为一个 RLC 电路。在稳态时,RC 电路中的电容器已经充电,所以对于左边的 RC 电路,电容器 C1 上的电压为 U = 60V。因此,左边的 RC 电路可以视为一个电压为 U、电阻为 R1 的直流电路。
对于右边的 RLC 电路,我们需要先求出电感器上的电流。由于电路中的电容器 C2 在 t=0 时被短路,所以可以将电容器 C2 看作不存在。此时,电路中只剩下一个电感器 L、一个电阻器 R2 和一个电源 U。根据基尔霍夫电压定律,有:
$$
U_L + U_R = U
$$
其中,UL 和 UR 分别为电感器 L 和电阻器 R2 上的电压。由于电路处于稳态,所以电感器上的电流为常数,电感器的电压满足:
$$
U_L = L \frac{di_L}{dt}
$$
根据欧姆定律,电阻器上的电压为:
$$
U_R = i_L R_2
$$
将上述两个式子代入基尔霍夫电压定律,得到:
$$
L \frac{di_L}{dt} + R_2 i_L = U
$$
这是一个一阶线性常微分方程,可以使用常数变易法求解。设 iL 的通解为:
$$
i_L(t) = Ae^{-\frac{R_2}{L}t} + \frac{U}{R_2}
$$
其中,A 为待定常数。根据初始条件,当 t=0 时,开关闭合前的电路中只有左边的 RC 电路,电流为零。因此,有:
$$
i_L(0^-) = 0
$$
将这个条件代入通解,得到:
$$
A = -\frac{U}{R_2}
$$
因此,iL 的特解为:
$$
i_L(t) = \frac{U}{R_2} \left(1 - e^{-\frac{R_2}{L}t}\right)
$$
当开关闭合后,电路中的电容器 C2 开始充电,此时电路中的总电流为 iL 加上开关支路电流 i0。由于电路中没有分支,所以电路中的总电流为常数。因此,开关支路电流的初值为:
$$
i_0(0^+) = -i_L(0^+) = 0 - \frac{U}{R_2} \left(1 - e^0\right) = -\frac{U}{R_2} + \frac{U}{R_2} = 0
$$
即开关支路电流的初值为零。